南京工业大学不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究
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南京工业大学不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究,毕业设计论文
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目录 I 目 录 目 录 . I 不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究 . IV 摘 要 . IV Abstract . V 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 . 2 1.2.1 应力腐蚀产生的条件 . 2 1.2.2 应力腐蚀的机理 . 3 1.2.3 应力腐蚀开裂的过程 . 3 1.2.4 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌 . 3 1.3 本文的研究目标及内容 . 5 第二章 激光喷丸的机理 . 7 2.1 弹丸喷丸 . 7 2.1.1 弹丸喷丸的原理 . 7 2.1.2 弹丸喷丸的工艺参数 . 7 2.1.3 弹丸喷丸提高抗应力腐蚀能力的机理 . 8 2.1.4 传统弹丸喷丸强化工艺的不足 . 9 2.2 激光 . 10 2.2.1 激光原理简介 . 10 2.2.2 激光的特性 . 11 2.3 激光喷丸 . 12 2.3.1 激光喷丸强化原理 . 12 2.3.2 激光喷丸试验方法 . 14 nts南京工业大学本科毕业论文 II 2.3.3 激光喷丸优点 . 15 第三章 激光喷丸有限元分析模型 . 17 3.1 有限元法概述 . 17 3.1.1 有限元法的发展 . 17 3.1.2 有限元法的优越性和局限性 . 18 3.1.3 有限元法的基本思路 . 19 3.1.3 大型有限元计算软件 ABAQUS 的简介 . 19 3.2 激光喷丸有限元分析模型 . 20 3.2.1 激光喷丸材料模型 . 20 3.2.2 残余应力 有限元的公式 . 21 第四章 单点激光喷丸有限元模拟及分析 . 22 4.1 引言 . 22 4.2 有限元模型建立 . 22 4.2.1 激光喷丸温度场分析 . 22 4.2.2 模型几何尺寸 . 22 4.2.3 材料力学性能 . 23 4.2.4 单元类型和网格划分 . 24 4.2.5 载荷和边界条件 . 24 4.3 单点激光喷丸的计算结果及分析 . 25 4.3.1 不 锈钢单点激光冲击后残余应力分布 . 25 4.3.2 激光强度的影响 . 29 4.3.3 激光光斑半径的影响 . 32 第五章 不锈 钢单点激光喷丸试验研究 . 35 5.1 概述 . 35 5.2 不锈钢单点激光喷丸试验 . 35 5.3 单点激光喷丸试样残余应力测 定 . 36 5.3.1 X 射线测定方法 . 36 nts目录 III 5.3.2 测量原理 . 36 5.3.3 衍射峰位置的确定 . 38 5.3.4 应力测量误差 . 39 5.3.5 测试仪器 . 39 5.3.6 试验数据 . 41 5.4 不锈钢单点激光喷丸的 有限元模拟 . 42 5.4.1 ABAQUS 模型的建立 . 42 5.4.2 模拟数据 . 43 5.5 数值 模拟和试验结果的比较 . 43 第六章 总结与展望 . 45 6.1 总结 . 45 6.2 展望 . 45 致 谢 . 47 参考文献 . 48 nts南京工业大学本科毕业论文 IV 不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验 研究 摘 要 消除焊接残余应力是一种提高不锈钢焊接接头抗应力腐 蚀性能的可行方法。 铸 钢丸喷丸因钢丸容易产生碎片残留在工件表面，有时会引起电化学腐蚀或电偶腐蚀，反而降低了抗腐蚀能力；玻璃喷丸因是无机物，没有这样的问题，但存在噪音和粉尘污染。激光喷丸与上述两种方法相比，具有很多优势，是一种绿色的，对环境无污染的方法。 本文应用大型通用有限元计算分析软 ABAQUS 对不锈钢单点激光喷丸过程进行了动力学模拟，得到了残余应力分布。 数值模拟 结果表明：（ 1）在相同激光光斑半径情况下，残余压应力随峰值压力增大而增大；（ 2）在相同峰值压力情况下，激光光斑半径对残余压应力影响较小。 本 文 还对 不锈钢进行了单点激光喷丸，并应用 X 射线衍射法测定了激光冲击强化层残余应力 ，有限元 模拟结果与 测定结果 比较发现两者趋势一致。 本文的研究结为今后进一步研究激光喷丸提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能提供了基础。 关键词： 激光冲击强化（激光喷丸），残余应力，冲击波，有限元分析 ntsAbstract V Finite Element Simulation and Experimental research on One-point Laser Shock Peened Stainless Steel Plate Abstract Eliminating the weld residual stress is an effective method to improve the corrosion resistance of weld joints of stainless steels. Electrochemistry corrosion or electric couple corrosion occur in the surface of stainless steel weld joints caused by the steel fragments leaving on the surface of joints during the process of cast steel shots peening, which reduce the abilities of corrosion resistance. As a kind of mineral, glass beads havent this problem, but noises and the pollution of dust. Compared with the above two methods, laser shock peening is a green method, which has many advantages. Finite element analysis techniques have been applied to predict the residual stress induced from laser shock peening. Main conclusions are summarized as follows: (1) Under the condition of the same beam radius, the more peak pressure is, the more residual compressed stress induced by laser peening is; (2) Under the condition of the same peak pressure of laser shock wave, the value of laser beam radius have little effect to the residual compressed stress induced by laser peening. A sample with square shape was peened by one-point laser shock. The residual stress distribution in the sample has been measured by X-Ray diffraction method. Comparison between the numerical results and the experimental data has been made, they have a good agreement. Keywords: Laser shock peening; Residual stress; Shock waves; Finite element analysis nts第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 应力腐蚀开裂 （ Stress Corrosion Cracking， SCC） ，是载荷和介质共同作用下的亚临界裂纹扩展过程，是金属材料在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象，并对介质和材料的组合具有选择性。应力腐蚀的断口呈脆性，危险性极大。美国杜邦公司调查各类腐蚀统计结果表明：局部腐蚀占 27，应力腐蚀占 35，其它 类型的 腐蚀 约 占 38，可见应力腐蚀在各类腐蚀中占的比例是相当大的 1。 引起 应力腐蚀必须具备的条件是拉应力、腐蚀介质和材料 对腐蚀介质敏感 。其中 拉应力是 发生应力腐蚀开裂的必要条件 ； 通常 拉 应力越大，发生开裂的时间越短。 应力腐蚀直接关系到安全生产：解决和减轻这类问题是设计工作者的责任。在设计过程中需考虑腐蚀环境，严格执行标准规范，这样可能大大减少设备运行中的维修费用，以及停产带来的经济损失等。 表 1.1 引起 SCC 的应力源 引起 SCC 的应力 件数 比率， % 1 成型加工厂残余应力（弯管、矫形、胀管） 51 45.1 2 焊接残余应力（包括衬里） 35 31 3 铆接、螺栓连接的残余应力 2 1.8 4 安装引起的残余应力 2 1.8 5 切削加 工、锻造的残余应力 2 1.8 6 工作时的热应力 17 15 7 工作时的承载应力 4 3.5 共计 113 100 由上表可以看出，工程设备中的残余应力是造成应力腐蚀开裂的主要原因。因此，必须设法消除 成型加工厂残余应力和 焊接残余拉应力。 nts南京工业大学本科毕业论文 2 不锈钢应力腐蚀开裂往往是在没有预兆的情况下突然发生的，经济损失大，危害严重，它遍及石油、化工、纺织、造纸、医药、原子能、宇宙航行以及海洋开发等使用不锈钢的所有部门，约占湿态腐蚀损坏事故的 47%。不锈钢应力腐蚀开裂一般都发生在焊接接头的焊缝附近，主要原因是存在焊 接残余应力。近 30年来人们对不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂进行了大量研究，积累了丰富的知识与经验。这些研究主要侧重于应力腐蚀机理、试验方法、影响因素等方面。对于防止不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂的方法的系统研究则很少。 本章 将 对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 ， 消除焊接残余应力的主要方法，喷丸技术及其应用等方面的发展状况进行了简要评述，重点介绍这些领域的最新成果。 1.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 1.2.1 应力腐蚀产生的条件 一般情况下，产生应力腐蚀开裂应具备两个条件：一是要有足够大的拉应力；二是要有 特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等） 2。应力腐蚀开裂是由拉应力与腐蚀环境共同作用的结果。 （ 1）拉应力的存在 拉应力不一定是外力造成的，它可能来源于构件制造过程中 （如轧制、 焊接等工序所形成的残余应力 ） ；也可能来源于过盈装配。试验证明：应力大小影响应力开裂历程，它存在一个界限应力强度，当应力满足这个临界条件才能发生 SCC，反之则不会发生 3-4。当然在某些场合，这个界限值是很低的 5。 （ 2）特定的腐蚀环境 引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的常见介质有 ： 各种氯化物或含氯化物的溶液（包括盐水、海水 、河水 、 井水、高温高压水、水蒸汽和海洋性大气等）、氢氧化物、硝酸和硝酸盐、氢氟酸、氟硅酸和含氟离子的水溶液、硫化氢水溶液、硫酸和亚硫酸等，而且腐蚀介质的浓度无需很高。奥氏体不锈钢会在氯化物浓度仅百分之几的高温水中发生 SCC。 nts第一章 绪论 3 1.2.2 应力腐蚀的机理 目前，对应力腐蚀机理的研究还处于研讨阶段，没有明确的规定 6。对于各种不锈钢环境体系，目前有许多应力腐蚀理论，其中主要的解释学说有电化学阳极溶解理论、氢脆理论、钝化膜破裂理论、吸附理论等 7，奥氏体不锈钢的应力腐蚀和防护理论带有不同的侧重点，只能解释特 定环境介质下的应力腐蚀开裂。但对于应力腐蚀发生的机理，大家普遍认为：在较大的拉应力作用下，金属材料的原子处于不稳定的高能状态，在特定的腐蚀介质作用下，原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀，进而发生脆裂，即产生微裂纹；而后由于微裂纹的应力集中效应，使材料的脆裂得以快速扩大，最终导致材料断裂。 1.2.3 应力腐蚀开裂的过程 应力腐蚀开裂的过程可分为三个阶段： 第一阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段，也即是导致应力集中的裂纹源生核孕育的阶段，常称之为潜伏期或诱导期。 第二阶段为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑发展到单位 面积所能承受最大载荷的所谓极限应力值时的阶段。 第三阶段是失稳纯力学的裂纹扩展阶段，即破裂期。第一阶段受应力影响相对较小，时间长，约占破裂总时间的 90%。 如果材料在开始使用时就存在裂纹或蚀坑等缺陷，则应力腐蚀开裂过程只有裂纹扩展和失稳快速断裂两个阶段。所以应力腐蚀开裂可能发生在很短时间内，也可能发生在几年后。 1.2.4 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌 不锈钢应力腐蚀 裂纹特征：典型裂纹多貌似落叶后的树干和树枝，裂纹尖端较锐利；裂纹主干又有分枝，裂纹宽度较小，而扩展较深；裂纹扩展方向一般垂直于残余或施加的拉 应力的方向。 不锈钢应力腐蚀的 微观形貌可分为穿晶型、沿晶型和穿晶 +沿晶混合型。且以多为穿晶型多见 8，但也； 宏观断口呈脆性断裂。断口的微观形貌，穿晶型常见河流、扇形、鱼骨、羽毛等花样；沿晶型则多为冰糖块状花样。从不锈钢应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌也可以判断出不锈钢的应力腐蚀是在没有先兆的情况nts南京工业大学本科毕业论文 4 下发生的脆性断裂，因此它的危害性极大。 残余应力在实际生产中影响很大。例如，近几年来，在我国已使用的球罐中约有三分之一发现存在不同程度的裂纹，对设备安全运行带来严重影响。从发生事故的球罐来看，除少数是由于设计不合理、选 材不当、操作失误等原因外，绝大多数是因裂纹产生的脆性破坏。再如， 1992 年某厂使用 304 不锈钢的浓缩制碱锅炉仅三个月，锅炉上距焊接熔合线大约 210mm 的焊接热影响区就产生了大量与焊缝平行的穿透和未穿透裂纹，有的穿透裂纹长达 100mm，发生了严重的泄漏。泄漏部位没有明显塑性变形，锅炉内壁均失去原有金属光泽，但锅炉母材及焊缝上没有出现腐蚀裂纹。分析原因得到：由于锅炉焊接后未进行焊接残余应力的退火处理，因而焊缝及其邻近区域存在较高的焊接残余应力。而且锅炉服役环境的腐蚀性很强，很容易产生应力腐蚀裂纹。裂纹不断扩张 ，最终导致了锅炉的泄漏。 前面讲到，成型加工厂残余应力（弯管、矫形、胀管）和焊接残余应力（包括衬里）占到 SCC 应力源的 86.1%。因而必须消除残余应力以提高设备的抗应力腐蚀能力。 目前应用较多的消除残余应力的方法有：机械拉伸法，滚压法，低应力无变形焊接法，爆炸法，局部低温热处理，整体高温回火处理，热喷涂处理，喷丸处理等。 （ 1）机械拉伸法 对有残余应力的对接接头焊接方向施加均匀拉伸力，拉应力区在外载的作用下产生拉伸塑性变形，它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反，能起到抵消压缩塑性变形的作用 9-10。 （ 2）滚压法 用适当的压力滚压焊缝或近缝区，造成与焊接压缩塑性变形完全相等而方向完全相反的拉伸塑性变形，这样在薄板构件上就可以达到既消除应力又消除变形的目的 99。 （ 3）低应力无变形焊接法 刚凝固的焊缝区中，对已受到压缩但仍处于高温的金属给予强迫冷却，在温度低谷中受到极大的温差拉伸作用，随即得到拉伸塑性变形的补偿 11。 nts第一章 绪论 5 （ 4）爆炸法 使用适当的炸药以适当的布药方式在焊接区引爆，利用爆炸冲击波的能量，使焊接残余应力区的金属基体产生塑性变形，从而达 到消除或降低焊接残余应力的目的。此法特别适用于消除大焊件的残余应力 12。 （ 5）局部低温热处理 在焊缝附近区域冷却，造成一定温差，使焊缝及其附近区域的材料受到拉伸并达到塑性变形的程度，此塑性变形可用来抵消（或部分抵消）焊接过程中的压缩塑性变形，从而使焊缝附近区域的拉伸残余应力消除（或降低） 13。 （ 6）整体高温回火处理 将整个结构加热到一定温度，保温一段时间后再冷却，即可以达到消除残余应力的目的。对于同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，残余应力消除得越彻底。应当注意的是保温时间与结构的厚度有关，厚度 越大，保温时间应越长14。 （ 7）热喷涂处理 在焊缝及其热影响区和附近的母材上喷涂一层电位比基体金属更低的金属，被喷涂上的金属在介质中成为新的阳极，则可以用牺牲阳极的方式保护基体金属1515。 （ 8）喷丸处理 以压缩空气为动力，将弹丸喷射至焊缝表面及周围，使被喷射部位发生加工硬化，产生压缩残余应力；与此同时，焊缝表面和焊趾部分也因弹丸的冲击作用而变得光滑圆顺。由此可知，喷丸处理具有改变焊缝应力分布及改善焊缝形状参数的双重作用。 1.3 本文的研究目标及内容 本 论文 要解决的问题是：了解激光喷丸这种新型表 面强化技术改善材料机械性能的原理，强化激光喷丸参数（如功率密度、光斑尺寸、脉冲时间等）对焊接接头处理区残余应力分布影响规律的认识，并了解应用此项技术改善应力腐蚀开裂敏感性的相关机理。 nts南京工业大学本科毕业论文 6 本文的主要研究内容包括： 第一章简要评述了奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理、消除残余应力的主要方法等方面的发展现状。 第二章介绍 弹丸喷丸和 激光喷丸的机理。 第三章 简单 介绍 了有限元和 有限元 分析 软件 ABQUS 以及激光喷丸的有限元分析模型。 第四章应用二维有限元模拟不锈钢单点激光喷丸，对此模拟过程做了详细介绍。计算获得残余应力场并分析 其规律 第五章对 304 奥 氏体不锈钢 进行 单点 激光冲击强化 试验 ， 应用 进行了残余应力测定， 并 与 有限元模拟 计算结果进行 比较。 第 六 章总结 了 全 文的主要研究内容 和结论。对喷丸技术在抗应力腐蚀领域的应用前景 进行 了 展望 。nts第二章 激光喷丸的机理 7 第二章 激光喷丸的机理 2.1 弹丸 喷丸 2.1.1 弹丸 喷丸的原理 弹丸 喷丸是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余应力分布，从而提高工件强度和抗应力腐蚀能力的一种表面处理方法。塑性形变层的深度是指自表面到在光学显微镜下可以明 显分辨出塑性变形的区域的距离。塑性形变 层 深 度通常在 0.1 0.8mm 之间，具体情况视所选择的工艺参数而定。 弹丸流撞击工件时，每个弹丸颗粒都按一定方向撞击工件表面，然后从另一个方向弹出，它的一部分动能为工件所吸收。工件表层产生弹、塑性变形，其结果除在表面留下凹穴外，主要体现在组织结构和残余应力场的变化。喷丸后的表面残余应力场都呈现一定深度的压应力，有利于提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 2.1.2 弹丸 喷丸的工艺参数 弹丸 喷丸的工艺参数有以下几个： 1）喷丸强度 喷丸强度是工件喷丸强化程度的一种量度。喷丸强 度的标准和测试方法要求简单易行，具有相对可比性，又能紧密联系喷丸强化的实际机理，反映喷丸残余应力场的主要特征。 2）覆盖率 覆盖率是指被处理工件表面经喷丸处理后弹丸压痕面积与被喷丸工件表面积的比值。 国际上通常根据 SAEJ443 标准来测量覆盖率。测量的要点是把经研磨的Almen 试片喷丸后，放大 50 倍测量其弹丸压痕面积。因很难保证覆盖率为 100%，故实际把 98%的覆盖率定义为全覆盖率。大于 100%覆盖率的定义则为：以 100%覆盖率所用喷丸时间的倍数来表示，例如 200%的覆盖率意味着喷丸时间为达到100%覆盖率 所需喷丸时间的两倍。 nts南京工业大学本科毕业论文 8 3）弹丸质量 弹丸的质量和速度决定了喷丸强化效果的稳定性。对一定的喷丸设备和工件而言，弹丸质量对喷丸强化效果影响很大，一般规律是： （ 1）弹丸直径小，工件表面残余应力较高，但塑性形变层较浅。 （ 2）弹丸直径大，工件表面残余应力较低，但塑性形变层较深。 （ 3）弹丸硬度高，喷丸强度也高。 （ 4）弹丸直径增大，喷丸强度也增大。 （ 5）弹丸速度增加，喷丸强度、表面压应力和塑性形变 层深 度均增加。 2.1.3 弹丸 喷丸提高抗应力腐蚀能力的机理 喷丸过程中，经受循环塑性变形的表面层根据材料的不同将 发生以下一种或几种变化 16, 17, 18： （ 1）表面层内形成残余压应力场，如图 2.1 所示。 （ 2）表面层材料的亚结构（亚晶粒）尺寸和晶格点阵发生变形，如图 2.2 所示。 图 2.1 表面层内形成残余压应力场 图 2.2 表面层材料的亚结构（亚晶粒） （ 3）塑性变形诱发相变。 （ 4）塑性形变层内材料密度提高。 应力腐蚀都是从金属表面开始的，表面呈拉应力状态时，腐蚀进程加快；反之，表面的压应力能阻止腐蚀发展。因此，金属的表面应力性质对应力腐蚀影响重大。喷丸作用是使金属表层残余应力从拉应力转变成压应力，阻 止腐蚀发展，从而大大提高金属的抗应力腐蚀能力。对于焊接构件来说，喷丸将焊接残余拉应力转变成压应力，能大大遏制应力腐蚀。喷丸强度增大，强化层就加深，压应力增大且压应力控制范围沿纵向方向移动，压应力区扩大，抗应力腐蚀能力就增强。 nts第二章 激光喷丸的机理 9 喷丸后表面除外形的变化外，组织结构也发生变化，位错数增多，并出现亚晶界和晶粒细化现象。喷丸后的零件如果又受到交变载荷或温度变化的影响，结构将再度改变，因为喷丸引起的组织结构有向稳定态转化的趋势。晶体产生滑移，结果使亚晶粒内位错密度增加，产生晶格畸变 (原子面间距改变 )，使表层晶粒的形状和 排列都发生变化，从而提高了表面的显微硬度。表层的材料组织结构的表面残余应力场都呈现一定深度的压应力，达到提高零件的疲劳强度和增加抗腐蚀性的目的。 喷丸过程中弹丸的一部分动能被零构件表层吸收，使表层材料在再结晶温度下产生塑性形变 （ 冷作硬化层 ） ，呈现理想的组织结构 （ 组织强化 ） 和残余应力分布 （ 应力强化 ） ，从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。目前，喷丸强化工艺广泛应用于航空、航天、汽车、核动力、兵器、石油、煤炭、化工、机车、工程机械、汽轮机、农机、塑料模具、电气开关等众多工业部门。对碳钢、合金钢、铝合金、铁合金、 铁基热强合金以及镍基热强合金等材料抗交变载荷的疲劳寿命都能得到显著的提高，有的达几倍、甚至十几倍以上。 金属表面经喷丸后将产生残余应力即强化。成为延长疲劳寿命最有效的途径。 金属件所能达到的典型特性改善见下表。 表 2.1 许用应力增大事例 （ RPIVATE） 材料 未处理 （磅 /英寸 2） 处理后 （磅 /英寸 2） 增率 （ %） 碳素弹簧钢 （ SAE 1974） 75,000 115,000 54 合金弹簧钢 （ SAE 6150） 70,000 115,000 60 不锈钢 （ 302 型） 45,000 90,000 100 磷青铜 （ SAE B1） 15,000 30,000 100 2.1.4 传统 弹丸 喷丸强化工艺的不足 传统喷丸强化工艺因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但它还主要存在以下不足 19： （ 1）受 构件 凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷射死角，造成无法实施喷丸强化或喷丸强度不足。 nts南京工业大学本科毕业论文 10 （ 2）受喷丸强化表面粗糙度的限制。 （ 3）受气动高强度喷丸效率低的限制。 （ 4）受环境污染的限制。 因此，发展喷丸强化新工艺，研制喷丸强化新设备，提高强化效果，增大能量效 率，提高产品质量，进一步扩大喷丸强化应用领域，实现绿色喷丸强化，是当前急待解决的新课题。 2.2 激光 2.2.1 激光 原理简介 激光是 20 世纪 60 年代初期发展起来的新型相干光源。 激光 （ Laser） 是由英语词组“ Light amplification by stimulated emission of radiation”（通过 光的受激发射的光放大）中主要单词开头字母的组合而成的。这个词组的含义 已经对下面要说的激光器作用原理做出了极其简略而又确切的解释 20： 光通过物质而受激发射，所以我们就把这种发射 称作激发辐射或感应辐射。这种发射放大了同样波长的光。发射是建立在光和物质之间相互作用的基础之上的，进而可以把光看作是电磁波，它与其它电磁波例如无线电波或伦琴射线的区别仅在于波长上。只是为了解释少数几个概念，例如噪音，才有必要回到光的微粒观念上来谈到关于光子。光子的能量是通过定律： =Eh （ 2-1） 而总结出的。在这里， h 是普朗克常数 ， 是频率。频率为 的经放大的光是在具有激光激活物质的谐振 腔 内这样被反射的：它在激活物质中重新会激起光发射。这样就形成了振荡。由一个光放大器和一个谐振腔组成的系统具有振荡器 （ 例如，就像我们在通讯技术中所知道的那种振荡器 ） 的特性。这里就运用动量守恒的基本定律 20-21。因此，就会出现：能量必定供给激光激活物质，并以此放出能量。 激光与普通光源相比，它有着单色性好、方向性好、亮度高等突出的优点。激光的问世导致了光学技术的革命性飞跃，为人们研究物质结构以及许多 基本物理现象提供了崭新的方法和手段，同时也对许多技术科学及应用产生了极其深远的影响。在无线电和微波波段，通过经典发射源（运动电荷）可以获得单色的相nts第二章 激光喷丸的机理 11 干电磁波。在过去的一个多世纪中，人们利用这种相干的电磁波发展起了整个电子工业，它在工业化和科学技术中所占据重要地位，是人所共知的。可是，在激光问世以前，人们还没有办法获得光频波段的强相干光。 第一台激光器是 1960 年诞生的 ， 这是 20 世纪最为重大的发明之一。这台激光器以红宝石为工作物质，以强光为激励源。红宝石是一种人工制造的晶体，它的主要成份是氧化铝。纯净的氧化铝晶 体叫刚玉，是无色透明的。如果里面掺了少许氧化铬，就是红宝石。用氖灯的光照射红宝石就可以产生出激光。 2.2.2 激光的特性 激光还有许多其他的优点。这也是激光得到广泛应用的原因 21。 （ 1）良好的单色性 白光是有多种颜色的光按照一定的强度比例混合而成的。每种颜色的光具有一定的波长。如红光的波长在 0.670.76m 范围内 ； 蓝光的波长在 0.43 0.45m范围内；绿光的波长在 0.50 0.70m 范围内。所谓单色性是指光源发射的光波长范围很 小 ， 在 10-10m 左右。 光源的单色性在许多方面部有着重要的应用。例如在光学加工和精密机械制造工业中。要求测量的精度在 1m 以内 ， 通常采用米尺和其他工具是不能达到的。 （ 2）良好的方向性 具有良好方向性的光束可以保证其传输较远的距离。几乎所有的普通光源都是向着四面八方发光。光线射得越远。光的亮度就变得越弱。而激光的光束几乎只沿着一个方向传输，因此激光是射得最远的光源。它可以从地球射到月亮，长达 40 万公里，这是手电筒和探照灯绝对无法相比的。这种良好的方向性使得激光在测距、通信、定位等方 面 发挥着巨大的作用。 （ 3）高亮度 激光的高亮度特性。在激光切割 和 激光 焊接 应用等方面有着重要的应用。为了解决人类当前面临的能源危机。科学家们已经开始利用高亮度的激光来引发热核聚变 ， 使氚和氘聚变成氦和中子后释放出大量的能量。超强度的激光已经作为“死光”武器。用以摧毁敌人的坦克、飞机、导弹甚至卫星。 （ 4）极好的相关性 nts南京工业大学本科毕业论文 12 普通光源各发光中心相互独立，发射出的各列波的相位没有固定关系，而激光的各列波在很长 的时间内存在恒定的相位差，具有很好的相干性。光源的相关性在很多方 面具有重要的应用。例如用来精确测量距离的迈克尔逊干涉仪就是利用激光的相干 性来进行测量的。 2.3 激光喷丸 激光喷丸作为激光表面强化技术的一个重要分支，与其它激光表面强化技术不同，激光喷丸是利用强激光的“光力学效应”进行强化，即将光能转化成机械能来达到强化目的。而其他激光表面强化技术是直接将光能转化为热能来达到强化的目的，如激光相变硬化、激光熔化凝固硬化、激光合金化、激光熔覆等。故而，将激光喷丸处理工艺归结为冷加工工艺。 2.3.1 激光喷丸 强化原理 激光冲击处理于 1972 年由巴特尔研究所发明。于 20 世纪 70 年代后期首次投入潜在应用。当时就发现，该工艺可以显著提高用飞机结构 紧固件连接的构件中铝合金的耐磨损疲劳性能。进一步的工作演示了对钢、铝合金和焊接件疲劳强度的显著提高。对诸如腐蚀碎裂、磨损、硬度特性以及陶瓷、聚合物材料等的其他领域也进行了有限程度的研究。 激光冲击处理 (又称激光喷丸 )技术是利用强脉冲激光导致的压力冲击波在金属材料表层产生应变硬化的一种新型表面强化技术 22。当材料用激光束加热汽化状态时，产生高达 105 个大气压，基体金属受到高压波的冲击，而使显微组织形成复杂的位错网，从而使材料表面性能 (硬度和疲劳强度 )得到大大改善。尤其是铝合金材料更具有明显的效果。这种方法由 于成本高，效率低，目前主要还处于试验 室研究阶段 23。 当短脉冲 (几到几十纳秒 )的高峰值功率密度 （ 109 cm2） 的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温 （ 10000K） 、高压 （ 1GPa） 的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服极限时，材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。这种新nts第二章 激光喷丸的机理 13 型的表面强化技术就是激光冲击处理 （ laser shock processing） ，由于其强化原理 类似 弹丸 喷丸。因此也称作激光喷丸 （ laser shock peening） 24, 25, 26, 27, 28。 金属表面经过激光束的冲击作用 ， 形成一层比喷丸处理更深的压应力层，这种压应力的较深渗透可提高材料的耐疲劳性和磨损疲劳损伤。引 伸 出去，也可提高材料的耐应力腐蚀碎裂和表面引发的其他损伤，从而可延长耐疲劳寿命。在激光冲击处理钢、铸铁、铝和铝合金中已观测到，材料的疲劳强度从 25%提高到500%。因此，激光喷丸将成为代替喷丸的一种新方法。 从图 2.3 中可见其中位错密度很高，而且位错与位错之间相互缠绕、交割，交互作 用明显。 图 2.3 激光强化冲击区的高密度位错 图 2.4 激光强化冲击区组织中的孪晶 图 2.4 为激光冲击强化区组织中的孪晶示意图。从图 2.4 中可见，激光冲击强化区表层组织中存在大量的孪晶。高密度位错的来源是由于金属表层承受冲击时nts南京工业大学本科毕业论文 14 经受了激烈的塑性变形过程，使位错滑移并大量增殖，结果表层内部的位错密度急剧增加。孪晶是由于奥氏体不锈钢的基体虽然属于面心立方结构 ， 易于滑移，但在激光冲击强化冲击波的高速冲击作用下，一部分晶粒来不及滑移变形 ， 而发生了孪生变形，导致大量孪晶形成。 此外 ， 在激光冲击强化区中 还发现有片状组织存在（图 2.5），这些片状组织沿着晶界向晶内生长。 强化区 电子衍射分析结果表明 ， 该片状组织具有体心正方晶体结构。综合 强化 区电子衍射及射线衍射分析结果 ， 可以推断该片状组织是形变诱发马氏体。激光冲击强化的条件下发生的形变诱发马氏体相变是强化区硬度升高及产生较高残余压应力的主要原因之一。 图 2.5 激光冲击强化区中的片状组织 2.3.2 激光喷丸 试验 方法 图 2.6 是激光冲击处理的 试验 过程图。 图中有很重要的两层物质： 图 2.6 激 光冲击处理过程示意图 （ 1）不透明层 nts第二章 激光喷丸的机理 15 不透明层（牺牲层）是事先喷涂或放置在金属靶材表面的。设置不透明层是因为激光脉冲后会气化蒸发形成高温高压的等离子体，这
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