（机械制造及其自动化专业论文）激光冲击处理改善铝合金疲劳性能研究.pdf

江苏大蒙硕士学位论文 摘要 激光冲击处理是一种利用激光诱导的冲击波在金属材料表层引 入残余压应力，从而改善材料的疲劳性能的一种新型表面改性技术。 由于铝合金的比强度高，在航空航天领域及其它工业领域得到了广泛 的应用。因此，对铝合金进行激光冲击处理，研究其对疲劳性能的影 响具有非常重要的意义。 本文采用试验与数值分析相结合的方法，对激光冲击诱导残余应 力场及其对疲劳性能的影响进行了较为系统的研究。 以l s d y n a 为平台，建立了激光冲击处理7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金诱 导残余应力场的有限元分析模型。详细地分析、讨论了建模过程中的 如网格划分、材料模型选择等几个关键问题。分析了激光冲击波峰值 压力及冲击次数对残余应力场的影响，以此优化激光冲击处理参数。 对7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金进行了激光冲击处理试验，并用x 射线衍射法 测量了其诱导的残余应力，并将试验结果与模拟结果进行了对比，发 现两者变化趋势基本吻合，验证了此模型的正确性。 基于激光冲击产生残余应力的机理，提出了能考虑试样形状对残 余应力场影响的方法，并建立了相关的有限元模型。利用此模型预测 了激光冲击处理平板试样的残余应力场，所得的结果与已有试验结果 有较好的一致性，说明此方法与模型是可靠的。分析了激光冲击处理 圆角试样的残余应力场，发现试样形状对残余应力的大小与分布都存 江苏大学硕士学位论文 在影响。为激光冲击处理带有几何特征形状试样的残余应力场的数值 模拟提供了基本方法。 采用优化的激光冲击处理参数对7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金疲劳试样进行 激光冲击处理，测定了激光冲击处理前后试样的弯曲疲劳性能。分析 了残余应力对材料疲劳性能的影响。测量了经一定循环次数后试样的 表面残余应力，研究了残余应力在疲劳过程中的稳定性。引入当量初 始裂纹尺寸的概念，提出了一种基于裂纹扩展的能考虑残余应力松弛 的疲劳寿命预测方法。结果表明此方法得到的疲劳寿命预测结果与试 验结果比较接近，且偏于安全。 关键词：激光冲击处理，数值模拟，残余应力松弛，寿命预测，当量 初始裂纹尺寸 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ( l s p ) i sa ni n n o v a t i v es u r f a c et r e a t m e n t t e c h n i q u e ，w h i c hu s e sc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s st oi m p r o v em a t e r i a l p e r f o r m a n c e a l u m i n u ma l l o y sh a v eh i 曲r a t i oo fs t r e n g t h d e n s i t ya n d a r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fa k c r a f ii n d u s t r ya n do t h e ri n d u s t r i e s t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ok n o wt h ee f f e c t so fl s po n f a t i g u ep r o p e r t yo ft h e m i nt h i sp a p e r , t h er e s i d u a ls t r e s sf i e l di n d u c e db yl s pa n di t se f f e c t o nf a t i g u ep r o p e r t yw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db ye x p e r i m e n t a la n d a n a l y t i c a lm e t h o d s af i n i t ee l e m e n tm o d e l m ) w a sb u i l tt os i m u l a t et h er e s i d u a l s t r e s sf i e l do f7 0 7 5 - t 6 51b ye x p l i c i tn o n l i n e a rd y n a m i ca n a l y s i s s o m e k e yp r o b l e m sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c eo fp e a kp r e s s u r e a n dt h en u m b e ro fi m p a c to nr e s i d u a ls t r e s sf i e l dw e r ei n v e s t i g a t e di n o r d e rt oo p t i m i z el s pp a r a m e t e r s e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n sw e r e p e r f o r m e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h i sm o d e lc o u l dp r e d i c tt h er e s i d u a l s t r e s sf i e l di n d u c e db yl s p a c c u r a t e l y am e t h o d o l o g yw a s d e v e l o p e d o nt h eb a s i so f g e n e r a t i o n m e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s st op r e d i c tt h er e s i d u a ls t r e s sr e s u l t i n gf r o m l s pi ns p e c i m e nw i t hc o n l n l o ng e o m e t r i cf e a t u r e t h i sm e t h o d o l o g y u s e st h ep r e s t r a i n p r o d u c e db yl s pc o u p l e dw i t haf e mo ft h e 江苏大学硕士学位论文 s p e c i m e ng e o m e t r yt op r e d i c tr e s i d u a ls t r e s s v e r i f i c a t i o no ft h em o d e l w a s p e r f o r m e do nas i m p l er e c t a n g u l a rb l o c k ，t h ep r e s e n tm o d e lr e s u l t s a g r e ew e l lw i t ha v a i l a b l ed a t a t h em o d e lt h e nw a su s e dt op r e d i c tt h e r e s i d u a ls t r e s sg e n e r a t e di nas p e c i m e nw i t ha c o r n e rf i l l e t ，a n di ts h o w s t h a tt h eg e o m e t r i c a le f f e c t so ft h es p e c i m e ng r e a t l yi n f l u e n c e dr e s i d u a l s t r e s sf i e l d l s pw a sp e r f o r m e do nf a t i g u et e s t i n gs p e c i m e n sw i t ho p t i m i z e d p a r a m e t e r s t h ef a t i g u ei m p r o v e m e n tw i t hr e s p e c tt ot h ea s - m a c h i n e d c o n d i t i o nw a sd i s c u s s e da c c o u n t i n gf o rr e s i d u a ls t r e s s i np a r t i c u l a r , t h e e x t e n to ft h er e s i d u a ls t r e s sr e l a x a t i o nd u r i n gl o a d i n gw a s i n v e s t i g a t e d am o d e lw a s p r o p o s e do nt h eb a s i so fc r a c kg r o w t ha n a l y s i st op r e d i c t f a t i g u el i f eo fs h o c k e ds p e c i m e n ，w i t hc o n s i d e r i n gat i m ev a r y i n g r e s i d u a ls t r e s sf u n c t i o n t h ep r e d i c t e dr e s u l t sw e r ef o u n dc o r r e l a t e d w e l l w i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e s i d u a l s t r e s sr e l a x a t i o n ，l i f ep r e d i c t i o n ，e q u i v a l e n ti n i t i a lf l a w s l z e i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 学位论文作者签名：善辉 指导教师签名： p 。f 口年易月7 日 凯逸 c 7 ，l r t 年易具| e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：私军 日期：l 。年易月c 7 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 材料的疲劳破坏是工程结构和机械零件主要的失效形式之一1 1 1 。世界各国每 年由于疲劳破坏引起的工程结构和机械零件过早失效与报废所造成的能源与材 料的消耗是十分惊人的【2 】。疲劳破坏在带来巨大的经济损失的同时，还会带来灾 难性的后果，许多空难事故的发生都是材料的疲劳破坏引起的【3 】。因此，解决材 料的抗疲劳问题，受到了各工业部门及材料学工作者的高度重视 4 1 。 1 1 材料表面改性技术阳1 因为金属材料的失效多发生于表面，或先从表面开始，材料表面是防止疲劳 破坏的第一道防线。因此，提高材料的表面性能对延长材料使用寿命和发挥材料 潜力起着十分重要作用。 1 1 1 表面改性技术及其分类 表面改性技术指采用某种工艺手段在材料表面、亚表面获得与基体不同的组 织结构和性能的技术，使材料表面按人们希望的性能进行改性。材料经表面改性 处理后，既能发挥基体的力学性能，又能使材料表面获得各种特殊性能，可以掩 盖基体的力学性能，延长材料的使用寿命。表面改性技术的应用对提高产品的性 能、降低成本、节约资源具有十分重要的意义。 传统的表面改性技术，诸如表面热处理及表面渗碳技术，已有几上千年的历 史。这些传统技术在近半个世纪中得到了长足的发展，新的表面淬火及化学热处 理技术不断出现，工艺上较过去已有了质的提高。 2 0 世纪7 0 年代发展起来的离子注入新技术，利用注入离子可得到过饱和固 溶体、非晶态和某些化全物层，能改变材料摩擦系数，增加表面硬度，提高耐磨 性及抗蚀性，延长零件的使用寿命。 材料的表面气相沉积也是近2 0 年来发展较快的一种表面改性技术。气相沉 积法中的化学气相沉积是利用镀层材料的挥发性化合物气体分解或化学反应后 沉积成膜；物理气相沉积则是利用真空蒸发、溅射及离子镀等方法沉积成膜。这 江苏大学硕士学位论文 些薄膜强化技术用材广泛、适用面宽，已用于机械制造及冶金工业等领域。 总之，由于相关学科的发展，在材料表面改性领域不断地有传统工艺技术的 革新和新工艺的出现。目前表面改性技术已经成为材料科学技术的一个重要的非 常活跃的领域。 材料表面改性技术是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。可 按学科特点将材料表面改性技术大致分为以下三个方面： ( 1 ) 表面合金化技术，包括喷焊、堆焊、离子注入、热渗镀等。 ( 2 ) 表面覆层与覆膜技术，包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、 气相沉积、涂装等。 ( 3 ) 表面组织转化技术，包括电子束热处理以及喷丸、辊压等表面加工硬 化技术。 必须指出，许多新的金属表面改性技术往往都不同程度地包含有上述两个 或两个以上方面，例如堆焊技术，所得的表面从表层看是覆盖，但覆盖与基体的 交界处是典型的合金化问题，当然也伴有组织的改变。 1 1 2 激光表面改性技术 金属材料的激光表面改性技术是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一项高新 技术，并日益在学术界和工程界取得越来越广泛的研究和应用。激光是由辐射受 激发射产生的光，激光表面改性技术是用激光对材料表面进行改性的一种表面改 性技术，是高能密度表面处理技术中的一种最主要的手段，它具有传统表面改性 技术或其他高能密度表面改性技术不能或不易达到的特点。人们相继研究并开发 出一些具有工业应用前景的激光表面改性技术，大体分为激光淬火、激光熔覆、 激光表面合金化、激光非晶化和激光冲击处理【1 0 1 1 】。 ( 1 ) 激光淬火 激光淬火是最先用于金属材料表面改性的激光改性技术。其基本机理是用 高能密度的激光束照射工件表面，工件表层材料吸收光能并立即转化为热能，使 周围材料的温度升高到奥氏体相变温度，再通过材料的自冷却获得极细小马氏体 和其他组织的高硬化层的一种热处理技术f 1 2 1 。其适用的材料为珠光体灰铸铁、 铁素体灰铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢和马氏体型不锈钢等。此外，还对铝 2 江苏大学硕士学位论文 合金等进行了成功的研究和应用【1 3 1 。 ( 2 ) 激光熔覆 激光熔覆是利用能量密度很高的激光束在金属表面辐照，使之能迅速熔化、 扩展和凝固，在基体表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而 构成一种新的复合材料。因此，激光熔覆不仅能提高材料表层的性能，而且能赋 予新的性能。可根据工况要求，熔覆各种设计成分的金属或非金属，制备耐热、 耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。另外，在适当 控制激光功率密度、扫描速度和冷却条件的情况下，材料表面经激光熔凝处理可 以细化铸造组织，减少偏析，形成高度过饱和因溶体等亚稳定相及到非晶态，因 而可以提高表面的耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性能【1 4 1 。 ( 3 ) 激光表面合金化 激光合金化是指在高能量激光束的照射下，使基体材料表面的一薄层与根 据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成表面熔化层。由于合金元素是 完全溶解于表层内，因此所获得的薄层成分是很均匀的，对开裂和剥落等倾向也 不敏感。利用激光合金化可使廉价的普通材料表面获得有益的耐磨、耐腐蚀、耐 热等性能，可制备传统冶金方法无法得到的某些特殊材料。激光表面合金化所采 用的工艺形式有预置法、硬质粒子喷射法和气相合金化法。 ( 4 ) 激光非晶化 激光非晶化是指采用高功率密度的激光束照射金属表面，使其表面薄层快 速熔化，然后超急速凝固，在金属表面获得非晶态层的方法，这种方法又称为激 光上釉。与其它非晶化方法比较，激光非晶化可以在工件表面大面积地形成非晶 层，而且形成非晶的成分也可扩大。 ( 5 ) 激光冲击处理 激光冲击处理是通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应 力，从而抵制疲劳裂纹的萌生和扩展，进而提高材料的疲劳性能。值得一提的是， 它无需改变材料表面的化学成分。激光冲击强化对各种铝合金、高温合金、不锈 钢以及钛合金均有良好的强化效果。 3 江苏是学硕士学位论支 1 2 激光冲击处理原理 激光冲击处理是根据高功率激光与材料相互作用的物理过程，利用激光产生 的等离子体冲击力学效应对材料进行表面改性，是一种新型的表面强化技术1 1 ， 其基本原理如图1 1 所示。在激光冲击处理前，一般在材料待处理的表面覆盖一 层滁层，然后在其上覆盖一层透明约束层( 如水、石英玻璃等) 。高功率密度激 光透过透明的约束层。作用于涂层上。涂层充分吸收激光能量，迅速汽化电离， 形成等离子体。等离子体快速膨胀，由于约束层的存在，其膨胀受到约束限制， 导致等离子体压力迅速升高，在材料被冲击表面产生瞬态冲击波，其幅值在g p a 晕级，持续时间在肿量级。由于瞬态冲击压力的作用，形成在材料内部传播的 冲击波。如果冲击波的压力足够高，材料发生变形和动态屈服，产生冷塑性变形 形成残余应力场，可改善材料机械性能。 l 跚m o r ；即，删m 钟q p e ) 图1 1 激光冲击原理圈 f i 9 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h e l a s e r w e n l “g 1 3 激光冲击处理发展概况 1 31 激光冲击处理国外发展概况 2 0 世纪6 0 年代初期，a _ s k s r y o n 等人首次发现了激光诱导等离子体冲击波 现象，他们利用激光辐照金属表面，得到了大约01 g p a 的冲击压力。随后， 美国俄亥俄州的巴特尔纪念学院哥伦稚实验室研制了激光冲击技术的试验设备， 并进行了韧始的可行性研究1 1 7 ”i 。1 9 7 2 年，f a i r a n d 等在美国国家科学基金的资 助下，首次利用高功率脉冲激光器冲击处理铝合金，研究表明，其屈服强度提高 江苏大学硕士学位论文 了3 0 【1 9 二2 0 1 。随后的多种材料的试验结果均表明，激光冲击处理后，材料的硬度、 强度和疲劳性能都获得了极大的提高，这些都为激光冲击处理技术未来在航空工 业中的应用奠定了一定的基础。 1 9 8 7 年以来，f a b b r or 等人在法国汽车与航空工业基金资助下，对激光冲击 处理技术进行了系统的研究，内容涉及激光与材料作用产生冲击波的机理及理论模 型、激光冲击后材料性能的改变、有效提高材料疲劳寿命和耐磨性的方法等，并提 出了约束模式下激光冲击波的分析模型与激光冲击波峰值压力估算公式【1 5 列。 1 9 世纪后期，美国将激光冲击处理进入实际工程应用状态。1 9 9 5 年2 月，j e f f d u l a n e y 博士创立了世界上第一家激光冲击处理技术公司，注册了l s p 商标，利用 其先进的激光冲击处理设备和系统，提供激光冲击处理技术及加工服务 z 2 , z 3 1 。后来， 该公司与美国空军号实验室开展了针对发动机钛合金损伤叶片激光冲击处理修 复研究，发现损伤叶片经激光冲击处理后，疲劳强度大大提高，取得了巨大成功， 目前激光冲击处理技术已用于f 1 1 9 p w - 1 0 0 发动机生产线幽。另外，美国加州 大学与m i c 合作，开发出了可移动激光冲击处理设备，并申请了发明专利。 进入2 1 世纪，高能激光冲击处理技术研究水平有了新的突破，应用领域有 了新的拓展。在2 0 0 0 。2 0 0 2 年期间，美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家重点实验室的 研究表明：2 0 2 4 1 3 铝合金经过高能激光冲击处理后其疲劳寿命是常规喷丸处理 的5 0 倍，可用于处理许多关键零部件的服役寿命；而且高能激光冲击处理能大 幅度地降低焊缝的应力腐蚀和裂纹扩展。最近，日本东芝为了将激光冲击处理技 术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化，专门设计了激光冲击伸缩强 化头，可深入内壁实施强化陋1 。 1 3 2 激光冲击处理国内发展概况 2 0 世纪9 0 年代开始，我国学者也相继开展了激光冲击处理的机理及应用 研究。1 9 8 8 年马民勋等人通过光学诊析技术间接地估算过激光冲击波的压力【2 6 】。 1 9 9 2 年庄仕明在铝、铜及钛合金中成功地进行了激光冲击波在材料中引起层裂 的实验研究【2 j 7 1 。从1 9 9 3 年起，南京航空航天大学与中国科学技术大学相互合作， 开展了航空结构抗疲劳断裂的激光冲击处理技术研究，对强激光产生的冲击波及 其对材料的强化机理、冲击区的表面质量等进行了大量研究1 2 s - 3 1 1 。“九五 期间， 5 江苏大学硕士学位论文 北京航空制造工程研究所等单位对t c 4 、1 c r l 8 n i 9 t i 等材料进行了激光冲击处 理试验【3 2 1 ，并取得了很好的试验效果。1 9 9 5 年，邹鸿承等人用小功率、小脉宽、 小光斑的激光冲击处理参数对l y l 2 c z 铝合金进行多点钉合处理，发现试样表面 硬度提高5 倍，硬化层深度为0 1 加2 r a m ，对于采用低成本、技术成熟的激光器 进行激光冲击处理，突破设备瓶颈有重要意义【3 3 1 。同年，中国科学技术大学强 激光研究所成功研制了小型实用的激光冲击处理装置，具备了在实际工程中推广 应用的价值，加快了激光冲击处理技术工程应用的步伐。 2 0 0 1 年，江苏大学强激光研究所开展了利用激光冲击波力学效应的金属板 材半模无模成形研究，从激光器研制、系统集成到成形与强化工艺均取得了创新 性成果【3 4 j 。 1 4 本文研究的意义及主要内容 由于铝合金的比强度高，在航空航天领域和其它工业领域得到了广泛的应 用，对铝合金进行表面改性，受到国内外研究工作者的普遍重视，成为热点之一。 激光冲击处理能提高材料疲劳性能的重要原因是激光冲击处理在材料表层 产生了残余压应力，残余压应力对材料的抗疲劳强度有着显著的影响【1 5 】，因此 残余应力在疲劳过程中的稳定性的研究显得尤为重要。目前，人们对激光冲击处 理诱导的残余应力场这方面进行了大量的试验和数值模拟研究，也取得了较大的 进展。由于激光冲击处理过程十分复杂，冲击压力持续时间极短，对激光冲击处 理后残余应力场的数值模拟仍然集中在如何建立准确的有限元模型上p 5 。3 s l 。而对 激光冲击处理诱导的残余应力对材料疲劳性能的影响这方面的研究仍处于试验 阶段，对激光冲击处理后材料的疲劳性能定量研究还鲜有报道。 另外，激光冲击处理与传统的强化工艺，如喷丸强化的优势之一就是其柔性 强，能处理任意形状零部件的表面【3 9 1 ，而且实际工程中需要激光冲击处理的多 为圆角、拐角等应力集中部位，但遗憾的是目前还没有相关的研究报道。 本文采用试验与数值分析相结合的研究方法，选用航空工业常用的 7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金作为研究对象，对其进行激光冲击处理，研究分析其诱导的残 余应力场，测试其疲劳性能，并与未处理合金试样进行比较，探讨激光冲击处理 的作用机理和规律性，并提出有效的方法实现寿命预测。具体内容如下： 6 江苏大学硕士学位论文 1 建立激光冲击处理的有限元分析模型，对激光冲击处理诱导的残余应力 场进行数值模拟，对其中的关键问题进行讨论。并由此分析激光冲击波峰值压力、 冲击次数对残余应力场的影响，为激光冲击处理参数优化提供依据。同时以试验 为手段，对激光冲击处理7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金诱导的残余应力进行测量，并与数值 模拟结果进行比较，对建立的有限元模型进行验证。 2 提出一种能考虑试样形状对残余应力分布的方法，建立相关的有限元模 型，并通过平板试样的试验数据验证其可靠性。通过对圆角试样进行残余应力预 测，初步探讨试样形状对残余应力场的影响。 3 以7 0 7 5 t 6 5 1 铝合金为载体，采用优化的激光冲击处理参数对其进行激光 冲击处理试验，并进行疲劳寿命对比试验。分析残余应力对疲劳寿命的影响，测 量残余应力在疲劳过程中的稳定性，并以此为基础提出较准确的激光冲击处理后 疲劳寿命的预测方法。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章激光冲击处理理论分析与材料的疲劳 本章分析了激光冲击波的形成机理，进而阐述了残余应力场的形成原理。并 在此基础上讨论了激光冲击处理的主要影响因素。最后介绍了材料的疲劳与疲劳 设计方法相关知识。 2 1 激光冲击波的形成机理 2 1 1 激光能量的吸收 激光与物质的相互作用是从入射激光被物质反射和吸收开始的。激光束辐照 靶材表面时，其部分能量被反射，而其余部分进入靶材内部被吸收，所吸收的激 光功率密度在靶材内部按布格一拉姆别尔定律变化【加】： ，= i o a e - c 觑。 ( 2 1 ) 式中，而为入射到靶面的激光功率密度( 弼帮) ；a 为靶材的吸收能力，a = 1 一r ， r 为反射率；夕f ，矽为激光在介质中的吸收系数( 规枞材料表面向内为正) 。式 ( 2 1 ) 几乎可以适用于任何材料，但其中a 和夕的具体数值，因为光的吸收及其 转换为热的机理不同，对不同材料有很大的差别。 材料对激光的吸收率除取决于材料的特性外，还与激光的波长、靶材的温度 和表面状态有关。金属靶材的吸收率口、激光的波长五和金属靶材的直流电阻率 p 存在如下关系： 萨0 3 6 5 括 ( 2 2 ) 直流电阻率会随温度的升高而升高，故吸收率口和温度眩间有如下的线性 关系： 口( d = 口( 2 0 0 c ) 【1 + 从t 一2 0 ) 。c 】 ( 2 3 ) 式中，为电阻率温度系数。材料表面状态对激光吸收率的影响因素主要是表面 粗糙度，表面粗糙度值越大，其吸收率越大。但是，一般应用中，激光处理往往 采用其他方法来提高激光的吸收率，其中包括：喷涂黑漆或以氧化物为主的专用 涂料等。 8 江苏大学硕士学位论文 非金属与金属不同，它对激光的反射率比较低，表面为高吸收，而且对激光 波长有强烈的选择性，这是由非金属的结构特征决定的。一般非金属材料表面的 反射率比金属表面低得多，也就是进入非金属中能量比金属多，因而对激光能量 的利用率较高。 2 1 2 等离子体的形成 由于激光冲击处理所采用的激光功率密度非常高，任何材料在这样高的激光 功率密度辐射下都会出现表面急速升温的情况，升温速度可大于1 0 1 2 翻s ，这使 得材料在1 凇内气化【4 1 1 。如果蒸汽粒子继续吸收激光能量，蒸汽温度将继续升高， 最后将导致蒸汽电离产生一种高温高密度状态的等离子体。等离子体是由一定数 量的带电粒子( 有时还有中性粒子) 组成的，在电磁及其它长程力作用下粒子的 运动和行为以集体效应为主的非凝聚系统，与固体、液体、气体属于同一层次的 物质存在形式，常被称为物质的第四态【4 2 】。 2 1 3 激光冲击波的形成 形成的等离子体将继续吸收激光能量，使等离子体继续加热，当温度升高到 一定程度时，等离子体中将出现电子热传导性。这时，等离子体的温度、密度和 体速度将重新分布，等离子体中电子和离子的平衡状态将强烈地被打乱，离子温 度将远低于电子温度。随着等离子不断地吸收激光能量，等离子体的温度将继续 升高并向外膨胀。由于等离子体与后续激光作用的结果，使得等离子体以超音速 逆着激光方向传播【4 3 】，这种等离子体能在靶材表面产生冲击波。由于此冲击波 源于激光等离子体对空气的高速压缩，所以我们称之为激光等离子体冲击波。 2 2 激光冲击波的波形与压力估算 激光冲击波的产生主要是由于激光与能量转化体之间相互作用诱发等离子 体喷射，施于靶面一反冲力，并在激光能量的支持下维持和传播，是一种物理性 质的爆轰波。国内外许多学者采用各种手段对激光冲击波进行了测量研究，这些 研究表明，激光冲击波压力波形为近高斯状的曲线，压力的持续时间约为激光脉 冲持续时间的3 倍左右【槔4 q 。p e y r e 与b e r t h e 等采用激光速度干涉仪v i s a r 方 9 江苏大学硕士学位论文 法实现了对脉宽为1 0 2 0 n s 的激光诱导下冲击压力的测量，测得的激光与压力脉 冲波形如图2 1 所示【4 6 】。 1 0 0 01 0 1 名 3 番o4 0 0 图2 1 高斯型激光脉冲与其产生的压力脉冲嗍 f i g 2 1g a u s s i a nl a s e rp u l s ea n dr e s u l t i n gp r e s s u r ep u l s es u b m i t t e dt ot h et a r g e t 4 6 1 + 与此同时，研究人员一直致力于建立冲击压力预测的数学模型，也提出了多 种不同的模型 4 7 - 4 9 1 。其中f a b b r o 提出的模型能够较为准确地反映冲击压力的变 化过程，求解较为简单，所以应用较广 4 8 1 。该模型作了如下假设：( 1 ) 不考虑 等离子体的形成时间差；( 2 ) 靶材和约束层声阻抗为常数；( 3 ) 等离子体看作理 想气体；( 4 ) 激光能量在辐照区域均匀分布，等离子体只在轴向膨胀。在此假设 的基础上，他推导出在t 时刻，冲击波压力荆与界面空隙工存在以下关系： j ( f ) = p ( f ) 掣+ 五3 磊d 眦汪( f ) 】 ( 2 4 ) 式中，口为等离子体热能占其内能的分数，为一常数( 一般在0 1 加2 之间) ；i ( 0 为t 时刻被涂层吸收的入射激光的功率密度，并且有： d l _ ( t ) ：吾p ( f ) ( 2 5 ) 班z 、7 式中z 为折合声阻抗，可由下式计算得到： 吾2 去- i - 去 一= 一一 i ，h l z z 蝴岫z t 唰 、。 式中，互聊幻和z k 彬分别为约束层和金属靶材的声阻抗。仅仅考虑一种矩形激 光脉冲的简单情形，入射激光的脉宽为r ，功率密度为常数，口，另外可假设 三佃) 1 0 ，可得到： p 腿= 0 o l 焘厄佤 ( 2 7 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 式中，的单位为g p a ；z 的单位为g c m 2 s ；l 单位为g w c m 2 。 2 3 残余应力场的形成原理 当激光辐照材料表面时，激光诱导的强冲击波沿激光入射方向向材料内部传 播，可使材料表面一定深度内沿轴向产生压缩塑性变形，同时导致这部分材料在 平行于材料表面的平面内产生伸长变形，如图2 2 ( a ) 所示；激光辐照结束后， 由于冲击过程中冲击区域材料产生塑性应变，其周围的材料受到了挤压，为抵抗 这种因应变产生的体积变化，其周围材料会将这部分发生塑性变形的材料推回到 激光冲击处理前的初始形状，会在平行于冲击表面的平面内产生双轴压应力场， 如图2 2 ( b ) 所示刚。 ( a 1 d u r i n g t h em t e 糟e t i o n c o ) 2 ，a f t e r t h el a s e ri ss w i t c h e do f f p ，f p l a s m a 图2 2 激光冲击产生残余应力场的原理嗍 f i g 2 2p r i n c i p l eo ft h ea p p e m a n e eo ft h er e s i d u a ls t r e s si n d u c e db yl _ s p i s o l 2 4 激光冲击处理的主要影响因素 由前面的理论分析可知，激光冲击处理过程十分复杂，因此其影响因素众多， 涉及到激光器、吸收层和约束层等多个方面。因此，需要有效地控制和避免各种 因素的影响，保证可靠的激光冲击处理效果。 2 4 1 激光参数的影响 激光参数主要包括功率密度厶、激光脉宽f 、激光束能量e 、光斑直径d 等， 其关系为： ，o = 菥4 e ( 2 8 ) 氕引d 江苏大学硕士学位论文 由式( 2 7 ) 知，冲击波的峰值压力与功率密度l 的平方根成正比，要使激 光功率密度达到g w c m 2 量级，才能保证其诱导的冲击波压力高于金属靶材的动 态屈服强度，达到表面处理效果。但目前的实验表明【5 1 1 ，当激光功率密度超过 某一阈值时，冲击波压力并不随着激光功率密度的增加而增加，反而会有些下降。 这主要是由于当激光功率密度超过该阈值后，激光在穿过约束层时发生介质击穿 现象，会在约束层表面产生等离子体。研究表明，约束层表面等离子体的逆韧致 吸收效应在激光与材料耦合中起主要作用，为降低逆韧吸收效应对通过约束层后 的激光能量的影响，主要解决方法有：改变激光脉冲的波形和改变激光波长。 激光脉宽的大小对激光冲击处理效果有很大的影响。激光冲击处理后材料的 塑性变形深度、表面残余应力与激光脉宽有关。冲击波脉宽与靶材的塑性变形深 度呈线性关系。因此，从强化效果的角度看，采用较大的激光脉冲宽度可获得较 好的强化效果。然而，过大的激光脉冲宽度极易造成金属材料表面的热损伤，表 现为热烧蚀、熔融和汽化穿孔等现象，降低激光冲击处理的效果。 2 4 2 约束层的影响 在激光冲击处理研究过程中，人们对约束层的作用机理及适用的材料进行了 深入的研究。b c 柯瓦林科【5 2 1 分别对有无约束层条件的靶材进行了研究。发现 在有约束层的条件下，冲击波峰值增加一个数量级，而且冲击波半高宽度也大大 加宽，说明约束层的使用能阻碍等离子体的膨胀，增强与激光能量的耦合和冲击 波的相互作用，从而有效提高地激光冲击波的峰值压力，并且增加冲击波的脉宽。 目前常用的约束层是固体玻璃和水两种。f a i r a n d 等人1 5 3 】的研究表明，激光 功率密度在一定范围内时，使用石英和水作为约束层对试件表面产生的冲击波峰 压差别不大。这说明，约束层材料的声阻抗对冲击波峰值压力的影响不像预计的 那样大。 周建忠等人的研究表明【5 ”5 】，约束层本身的性能如弹性、强度等对激光冲击 处理效果有很大的影响。这主要因为激光诱导等离子体向外喷射形成高幅冲击波 的瞬间，如果约束层先于靶材产生变形，那么会使约束空间增大，约束效果降低， 因而降低所产生的冲击波峰值压力。他认为约束层的刚性越好，强化效果越好： 弹性、柔性越大，冲击处理效果越差。另外，试验结果同时表明约束层厚度对冲 击效果也存在影响。发现随着约束层厚度的增加，靶材的激光冲击处理效果增加； 1 2 江苏大学硕士学位论文 但过厚的约束层会增大对激光的吸收和散射，导致激光能量的利用率降低，反而 会使激光诱导的冲击波峰压降低，从而影响冲击处理效果。因此在选择约束层时 同时要注意约束层材料和约束层厚度的选择。 2 4 3 涂层的影响 金属材料对激光的反射率是很高的，如果激光直接辐射在金属材料的表面， 这就势必会造成大量的能量被浪费。同时，其表层也会被加热、汽化而产生结构 破坏。因此，人们在激光冲击处理时，会在材料表面涂覆一层吸收涂层，涂层的 主要作用体现在：( 1 ) 提高激光能量的吸收率，更容易产生更多的等离子体；( 2 ) 保护材料表面质量不被激光破坏。 由于吸收涂层的重要作用，国内外学者在研究激光冲击处理时，进行了不同 吸收涂层的有无对激光诱导冲击波影响的研究。李志勇等人刚7 】采用4 毗m 厚的 铝膜作为靶材，利用p v d f 压电传感器测量了有无黑漆涂层时，脉冲激光诱导的 冲击波在靶材中的演化。结果表明，黑漆涂层不仅能增加激光冲击波的峰值压力， 而且对冲击波的演化过程也有较大的影响。分析认为黑漆涂层能增加冲击波峰压 的主要原因是黑漆较金属靶材具有较低的气化热，在激光冲击下更易气化爆炸。 黑漆涂层对冲击波的演化过程也有较大影响的主要原因是激光产生等离子体的 动力学复杂性和不确定性。 刘世伟等人【5 8 】在激光能量与约束层厚度几乎相同的条件下进行激光冲击处 理试验，研究了涂层厚度的影响。结果表明，涂层的厚度应有一个最佳值。涂层 过厚，剩余涂层会对激光冲击波产生损耗；涂层过薄，又使金属表面产生气化，二 者均会影响激光冲击强化效果。花银群等1 5 9 l 从激光与涂层相互作用的物理机理， 研究推导了激光冲击涂层的理论厚度计算公式，并从工件表面状态、涂层和约束 层等相关环境因素出发，讨论了它们对涂层厚度理论计算的影响，得到了具体工 况条件下激光冲击涂层厚度的理论估算公式。 由上述分析可知，涂层的选择一般要从以下几个方面加以考虑： ( 1 ) 对某种特定波长的激光具有强吸收，以保证激光冲击时能量的有效利 用。 ( 2 ) 有较低的热传导系数，限制高温等离子体对金属工件表面的热的作用。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 低的升华能，可以产生密度和温度更高的等离子体，获得更高的冲击 波。 ( 4 ) 吸收涂层应有合适的厚度，涂层过薄，易使激光直接烧金属工件表面； 涂层过厚，会降低爆炸峰压对金属工件的冲击效果，同时也会造成涂料的浪费。 2 5 材料的疲劳与疲劳设计方法 2 5 1 材料的疲劳 材料的疲劳是指材料在循环载荷作用下所发生的性能变化。美国试验与材 料协会( a s t m ) 对疲劳的定义为：材料在某点或某些点承受扰动应力，且在足 够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结 构变化的发展过程称为疲劳。疲劳破坏和静力破坏相比，有本质的不同，其主要 特征表现在： ( 1 ) 在交变应力远小于静强度极限的情况下，破坏也有可能发生。 ( 2 ) 疲劳破坏不是立刻发生，而要经历一定的时间，甚至是很长的时间。 ( 3 ) 疲劳破坏前，即使对于塑性材料，也像脆性材料一样，常常没有显著 的残余变形。因而不易察觉，这就表现出疲劳破坏的危险性。 从目前疲劳断裂失效的研究来看，疲劳过程主要经历裂纹的产生、裂纹的 扩展和最终断裂三个阶段： ( 1 ) 疲劳裂纹的产生 一般认为，疲劳裂纹大都萌生于试样和零件的外表面，但其萌生的方式和机 制却是多种多样的。疲劳裂纹的萌生都是由局部塑性应变集中引起的。常见的裂 纹萌生方式主要有：滑移带开裂、晶粒边界和孪晶界开裂和夹杂物或第二相与基 体的界面开裂。 ( 2 ) 疲劳裂纹的扩展 受恒幅应力反复作用的疲劳试样，其裂纹扩展速率可以用裂纹长度在每个循 环中的增量d a d n 表示。p a d s 和e r d o g a n 于1 9 6 3 年提出疲劳裂纹扩展速率与应 力强度因子范围a k 成幂律关系，即著名的p a r i s e r d o g a n 公式 6 0 l ： i d a = c ( a r ) “ ( 2 9 ) 一= j ，- 懋 、。 1 4 江苏大学硕士学位论文 式中：c 和m 为与材料有关的常数。稳态疲劳裂纹扩展服从p a r i s 幂律关系，即 k d a d n 随l g a k 作线性变化。但该关系只适用于合金裂纹扩展阻力曲线中的一 段。大多数工程合金的l g d a d n l g a k 曲线呈现如图2 3 所示的s 形变化规律。 从该曲线上可看到存在三个明显不同的裂纹扩展区段：a 区，在该区段每个载荷 循环的平均扩展量小于点阵间距，并存在一个应力强度因子范围的门槛值啦。 当a k 低于该门槛值时，裂纹或者完全不扩展，或者以无法检测到的速率扩展； 丑区即p a r i s 区，培如柳随l g a k 呈线性变化，服从式( 2 9 ) 。c 区属于高a k 范 围，当a k 值高于p a r i s 区的a k 时，随a k 的增加裂纹扩展速率急剧上升。 a 雎l a t t i c e ，l k l i 鼍p e r c y c l e 峨皇 i i r e g i m ebi i i 。川逑夕 名， 7 塑：c ( 缱y - 讲 r e 9 1 0 _ - ec 时 善 l l m m i n 雪 o p 一 l m m h o t t r 专 毫 岛 z m d a y 毫 o l m w e e k l g a k 图2 3 疲劳裂纹扩展的一般规律及其扩展速率曲线的三个分区 f i g 2 3t h eg e n e r a lp a t t e r na n dt h et h r e er e g e n t so ff a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n ( 3 ) 最终断裂 最终断裂也称失稳断裂，是疲劳破坏的最终阶段。它和前两个阶段不同，是 在一瞬间突然发生的。但从疲劳的全过程来说，则仍是渐进的，是裂纹扩展到临 界尺寸，裂纹尖的应力强度因子达到临界值的结果。由于此阶段的裂纹扩展速率 非常高，对于疲劳寿命来说影响很小，所以在研究疲劳问题时，通常不予考虑。 2 5 2 疲劳设计方法【1 3 1 ( 1 ) 无限寿命设计 无限寿命设计( i n f i n i t e - l i f ed e s i g n ) 是一种最古老的设计方法。它以无限长 寿命作为疲劳设计判据，要求结构或构件的设计应力水平低于其疲劳极限。疲劳 极限应力通常是由试验确定的。在应力寿命曲线上，它一般是某规定的足够长 的循环寿命( 如1 0 7 ) 所对应的应力水平。对于要求长期安全使用，而对重量没 矿 矿 譬拳素弓磁一菇 江苏大学硕士学位论文 有严格要求的机械，这种无限寿命设计仍然是一种简单而合理的方法。 ( 2 ) 安全寿命设计 按照有限寿命要求进行的疲