【正文】 芯棒小徑部位。要延長結構壽命, 必須對孔進行強化。激光沖擊波技術利用其極高的沖擊壓力,對材料作沖擊改性處理, 在金屬的沖擊強化處理和材料的沖擊精密成型等領域已獲得廣泛的應用。鋁合金比重小, 但卻有著接近或超過優(yōu)質鋼的強度, 具有熱脹系數低、易于成形、熱導率高、成本低廉等優(yōu)點, 廣泛應用于航空、航天、汽車、包裝、建筑、電子等各個領域。裂紋的疲勞破壞是造成結構破壞的一項重要因素。他認為，表面工程是“將材料表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進行設計和改性。 Residual stress field。然后通過對疲勞斷口的觀察，來分析材料抗疲勞性能的強弱。鋁合金小孔是構件上典型的應力集中結構細節(jié)，在交變載荷作用下極易產生疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。故本文采用激光沖擊強化技術，通過對比分析，采用強化效果更好的先激光沖擊后開孔的工藝方法。最后通過仿真分析式樣開孔前后殘余應力場和沖擊前后的疲勞性能得出光斑搭接處理對疲勞壽命的影響。 Fatigue fracture。以期獲得表面與基體本身都不可能有的優(yōu)異性能，其成本效益比是很高的。在各類結構件中，往往由于裂紋的存在而使結構還遠沒有達到材料的強度極限時就發(fā)生破壞。但是, 鋁合金也存在諸多問題, 如在氯離子及堿性介質存在的情況下,極易發(fā)生點腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等多種形式的破壞, 硬度較低、摩擦系數高、磨損大, 容易拉傷且難以潤滑導致鋁合金耐磨性差。 小孔強化的傳統(tǒng)工藝介紹下傳統(tǒng)孔強化的技術：冷擠壓技術和機械噴丸技術。冷擠壓能在孔周圍產生殘余壓應力的強化層, 是最有效、簡便、實用的工程強化方法。擠孔時, 先將芯棒和襯套一起插入孔中并使槍頭牢固對準工件。它用以成形外形變化平緩的蒙皮類鈑金件, 這些零件可以是等厚板、變厚度板和帶筋整體壁板, 是飛機工業(yè)成形整體壁板和整體厚蒙皮零件的主要方法之一。同時, 由于沖擊波貯藏的彈性變形能大于或等于金屬材料所需的屈服塑性變形能, 在金屬表面產生殘余壓應力。對于發(fā)動機葉片等對表面形變特別敏感的零部件，沖擊強化后 激光沖擊強化的效應從材料損傷的角度來看, 不論是疲勞還是動態(tài)破壞, 都是一個微裂紋( 或空洞) 成核、演化和失效破壞的連續(xù)過程, 材料損傷演化過程是全體裂紋共同作用的結果, 因此研究裂紋萌生、擴展問題具有重要意義。（1）激光沖擊對裂紋萌生的影響疲勞極限微細觀過程理論認為，疲勞源的行成應包括以下六個微細觀過程：a 加載時，個別晶粒內位錯開動，產生微觀滑移，但其發(fā)展將受到周圍晶粒的制約，在一些薄弱晶粒內部或微觀應力集中點附近出現位錯的運動并受阻于晶界；b 為了使“微觀屈服”能進一步發(fā)展，在周圍晶粒內激發(fā)位錯源及位錯的運動，以協調塑性變形，從而形成一些由相當多晶粒參與的“細觀屈服”小區(qū)；c 在“細觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內形成應變集中滑移帶；d 在卸載或反向加載到最小應力時，一些應變集中滑移帶在周圍彈性區(qū)的“脅迫”下或在反向載荷的作用下反向屈服；e 少數應變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；f 個別條件合適的疲勞初裂縫，擴展進入周圍晶粒，成為能發(fā)展成宏觀疲勞裂縫的疲勞源。（2）激光沖擊對裂紋擴展的影響激光沖擊強化對裂紋擴展的抑制作用十分明顯，其機理可以從如下方面闡述：殘余壓應力場阻礙疲勞裂紋的擴展，對短裂紋不僅可以使其擴展速率大幅度下降，進而形成非擴展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強化件的疲勞強度得到提高。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯密度和形成表面殘余壓應力。此外，激光沖擊強化還可以有效地強化某些金屬的焊縫區(qū)。研究表明，激光沖擊加工產生的圍繞夾雜物的純力學效應可改善含鹽介質中316L不銹鋼的耐點蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。目前國內外研究人員越來越多的關注激光沖擊強化技術的基礎理論與基礎工藝研究。Zhou 等人也在最近對等離子體研究中發(fā)現，激光功率密度與產生等離子體寬度存在著非線性增長關系。 能量吸收層和約束層能量吸收層產生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和作用時間。理論和實驗研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強了與激光能量的耦合和沖擊波的相互作用。約束層主要采用K9 光學玻璃、有機玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。在使用水作為約束層時，采用行之有效的工藝方法，準確控制約束層厚度，保證水流均勻，以避免沖擊處有水波紋等仍是今后研究的重點。當沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動態(tài)屈服強度時，將使金屬表面產生一定的塑形變形，同時使金屬材料的組織結構和應力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實現材料表面強化，改善了材料的疲勞性能。具有如下的特點：（1）高壓、高應變率。（3）無機械和熱應力損傷。在研究了激光沖擊強化鋁合金后，鈦合金、鐵、銅也被成功處理。Senecha 等人研究了激光誘導的沖擊波在鋁薄片中的傳播，表明數值模擬可以很好計算激光吸收系數。1995 年美國的Jeff Dulaney 創(chuàng)建激光沖擊處理公司（LSP ）。2002 年，美國MIC 公司將激光沖擊強化用于葉片生產線，如圖 所示，每月可節(jié)約飛機保養(yǎng)費、零件更換費幾百萬美元，隨后擴展應用于F16 戰(zhàn)斗機及最先進的F22 戰(zhàn)斗機。 研究的主要內容激光沖擊強化技術作為一種新的表面處理技術，能顯著的提高材料的抗疲勞性能。3. 研究激光搭接沖擊強化技術，同樣進行數值模擬，對比分析丌孔前后殘余應力場的變化，然后在不同疲勞載荷下進行疲勞數值分析，最后研究疲勞性能。 數值模擬的總體思路 本文基于ABAQOS軟件平臺，采用先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過有限元建模，建立起激光沖擊參數殘余應疲勞特性之間的數字化分析方法。選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材由于應力波作用所產生的動力學響應。下面為激光沖擊的有限元模擬流程： 激光沖擊的有限元模擬流程 Finite element simulation process of laser shock ABAQUS建模過程激光沖擊強化金屬板料致使材料表面產生塑性變形，其沖擊能量來源于激光沖擊與金屬材料相互作用時在表面產生的強大的沖擊波。建立模型時應注意尺寸，以免模型過大或過小對沖擊效果有影響。材料參數為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。下圖為本論文模擬時的網格劃分: 在Fabbro 研究的基礎上, 通過估計沖擊波峰值壓力的大小, 以及由PVDF 傳感器得到的沖擊波壓力幅值時間曲線實現激光誘導沖擊波的精確加載。目前，模型中的沖擊波峰值壓力采用的是約束模式，因此本節(jié)只探討約束模式下的沖擊波壓力。 A為表面涂層對激光的吸收率。激光沖擊波壓力值在整個作用時間內并不相等，是隨時間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現為準高斯分布形式。有限單元的自由邊界可以反射應力波, 無限單元則可以盡量減少應力波從自由界面反射回有限單元體內。為了在金屬表面獲得塑性變形, 激光沖擊所產生的沖擊波峰值壓力必須超過被處理金屬材料的動態(tài)屈服強度即： （）聯立（）和（），可得激光沖擊處理所需的最小激光脈沖功率密度為: （）另一方面, 為了防止材料發(fā)生層裂, 激光沖擊產生的沖擊波峰值壓力不應超過材料的動態(tài)抗拉強度，即： （）聯立（）和（）可得可得激光沖擊處理時所需的最大激光脈沖功率密度為: （）由此可見, 金屬材料激光沖擊處理時所需的激光脈沖功率密度范圍為: （）如圖2. 1 所示, 薄板在x 軸方向受均勻分布的拉應力R0 作用, 板中有一直徑為d 的小圓孔。時, 代入() 式, 各應力分量為: （）　當r =3/2d 時, y 軸方向的各應力分量為: （）　這種狀態(tài)相當于無孔平板受拉伸時的應力狀態(tài)。因此, 一般情況下, 激光脈沖寬度應在幾個納秒到幾十納秒之間。由圖可見, 疲勞斷口由疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個典型區(qū)域組成。圖中A點為疲勞源, 白色箭頭為擴展方向, 白線范圍內為疲勞裂紋擴展區(qū)。 ( b) lasershocked激光沖擊強化試樣的疲勞源與試樣表面有一段距離, 相當于強化層的深度。在循環(huán)載荷作用下, 裂紋擴展進入第二階段。根據圖示的標尺估計, 其每個周期疲勞紋的進展只有未經激光沖擊強化試樣的1/ 5~ 1/ 4。( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋。而激光沖擊強化試樣雖然疲勞紋也有加寬, 但擴展穩(wěn)定, 沒有觀察到二次裂紋。( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋。從疲勞斷口的擠壓脊可以看到, 材料在應變過程中尚有相當大的塑性形變, 其產生的形變抗力將使材料產生一定的/ 循環(huán)硬化0 效應, 這種疲勞過程中的強化效應抑制了二次裂紋的發(fā)生, 也在一定程度上提高了材料的疲勞性能。兩者的主要區(qū)別在于