【正文】 芯棒小徑部位。要延長結(jié)構(gòu)壽命, 必須對(duì)孔進(jìn)行強(qiáng)化。激光沖擊波技術(shù)利用其極高的沖擊壓力,對(duì)材料作沖擊改性處理, 在金屬的沖擊強(qiáng)化處理和材料的沖擊精密成型等領(lǐng)域已獲得廣泛的應(yīng)用。鋁合金比重小, 但卻有著接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼的強(qiáng)度, 具有熱脹系數(shù)低、易于成形、熱導(dǎo)率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、包裝、建筑、電子等各個(gè)領(lǐng)域。裂紋的疲勞破壞是造成結(jié)構(gòu)破壞的一項(xiàng)重要因素。他認(rèn)為，表面工程是“將材料表面與基體一起作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改性。 Residual stress field。然后通過對(duì)疲勞斷口的觀察，來分析材料抗疲勞性能的強(qiáng)弱。鋁合金小孔是構(gòu)件上典型的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在交變載荷作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋，造成疲勞斷裂。故本文采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，通過對(duì)比分析，采用強(qiáng)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(yīng)力場(chǎng)和沖擊前后的疲勞性能得出光斑搭接處理對(duì)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(jié)構(gòu)件中，往往由于裂紋的存在而使結(jié)構(gòu)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)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(zhì)存在的情況下,極易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等多種形式的破壞, 硬度較低、摩擦系數(shù)高、磨損大, 容易拉傷且難以潤滑導(dǎo)致鋁合金耐磨性差。 小孔強(qiáng)化的傳統(tǒng)工藝介紹下傳統(tǒng)孔強(qiáng)化的技術(shù)：冷擠壓技術(shù)和機(jī)械噴丸技術(shù)。冷擠壓能在孔周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化層, 是最有效、簡便、實(shí)用的工程強(qiáng)化方法。擠孔時(shí), 先將芯棒和襯套一起插入孔中并使槍頭牢固對(duì)準(zhǔn)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(jī)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(shí), 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(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等對(duì)表面形變特別敏感的零部件，沖擊強(qiáng)化后 激光沖擊強(qiáng)化的效應(yīng)從材料損傷的角度來看, 不論是疲勞還是動(dòng)態(tài)破壞, 都是一個(gè)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(jié)果, 因此研究裂紋萌生、擴(kuò)展問題具有重要意義。（1）激光沖擊對(duì)裂紋萌生的影響疲勞極限微細(xì)觀過程理論認(rèn)為，疲勞源的行成應(yīng)包括以下六個(gè)微細(xì)觀過程：a 加載時(shí)，個(gè)別晶粒內(nèi)位錯(cuò)開動(dòng)，產(chǎn)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(nèi)部或微觀應(yīng)力集中點(diǎn)附近出現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)并受阻于晶界；b 為了使“微觀屈服”能進(jìn)一步發(fā)展，在周圍晶粒內(nèi)激發(fā)位錯(cuò)源及位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，以協(xié)調(diào)塑性變形，從而形成一些由相當(dāng)多晶粒參與的“細(xì)觀屈服”小區(qū)；c 在“細(xì)觀屈服區(qū)”中的一些晶粒內(nèi)形成應(yīng)變集中滑移帶；d 在卸載或反向加載到最小應(yīng)力時(shí)，一些應(yīng)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(shù)應(yīng)變集中滑移帶中萌生疲勞初裂縫；f 個(gè)別條件合適的疲勞初裂縫，擴(kuò)展進(jìn)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(duì)裂紋擴(kuò)展的影響激光沖擊強(qiáng)化對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用十分明顯，其機(jī)理可以從如下方面闡述：殘余壓應(yīng)力場(chǎng)阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，對(duì)短裂紋不僅可以使其擴(kuò)展速率大幅度下降，進(jìn)而形成非擴(kuò)展裂紋，并且大大提高疲勞短裂紋的閉合力，從而使強(qiáng)化件的疲勞強(qiáng)度得到提高。其主要原因是在于激光沖擊處理可提高位錯(cuò)密度和形成表面殘余壓應(yīng)力。此外，激光沖擊強(qiáng)化還可以有效地強(qiáng)化某些金屬的焊縫區(qū)。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜物的純力學(xué)效應(yīng)可改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能；亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。目前國內(nèi)外研究人員越來越多的關(guān)注激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)工藝研究。Zhou 等人也在最近對(duì)等離子體研究中發(fā)現(xiàn)，激光功率密度與產(chǎn)生等離子體寬度存在著非線性增長關(guān)系。 能量吸收層和約束層能量吸收層產(chǎn)生等離子體，約束層延長等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和作用時(shí)間。理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明: 約束層阻礙了等離子體的膨脹, 增強(qiáng)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(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、硅膠、合成樹脂和水等。在使用水作為約束層時(shí)，采用行之有效的工藝方法，準(zhǔn)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(diǎn)。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，將使金屬表面產(chǎn)生一定的塑形變形，同時(shí)使金屬材料的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)材料表面強(qiáng)化，改善了材料的疲勞性能。具有如下的特點(diǎn)：（1）高壓、高應(yīng)變率。（3）無機(jī)械和熱應(yīng)力損傷。在研究了激光沖擊強(qiáng)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(dǎo)的沖擊波在鋁薄片中的傳播，表明數(shù)值模擬可以很好計(jì)算激光吸收系數(shù)。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(qiáng)化用于葉片生產(chǎn)線，如圖 所示，每月可節(jié)約飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)、零件更換費(fèi)幾百萬美元，隨后擴(kuò)展應(yīng)用于F16 戰(zhàn)斗機(jī)及最先進(jìn)的F22 戰(zhàn)斗機(jī)。 研究的主要內(nèi)容激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)作為一種新的表面處理技術(shù)，能顯著的提高材料的抗疲勞性能。3. 研究激光搭接沖擊強(qiáng)化技術(shù)，同樣進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析丌孔前后殘余應(yīng)力場(chǎng)的變化，然后在不同疲勞載荷下進(jìn)行疲勞數(shù)值分析，最后研究疲勞性能。 數(shù)值模擬的總體思路 本文基于ABAQOS軟件平臺(tái)，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(shù)殘余應(yīng)疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。選擇顯式積分算法可精確追蹤靶材由于應(yīng)力波作用所產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。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(qiáng)化金屬板料致使材料表面產(chǎn)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(shí)在表面產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊波。建立模型時(shí)應(yīng)注意尺寸，以免模型過大或過小對(duì)沖擊效果有影響。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。下圖為本論文模擬時(shí)的網(wǎng)格劃分: 在Fabbro 研究的基礎(chǔ)上, 通過估計(jì)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(shí)間曲線實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)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(duì)激光的吸收率。激光沖擊波壓力值在整個(gè)作用時(shí)間內(nèi)并不相等，是隨時(shí)間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為準(zhǔn)高斯分布形式。有限單元的自由邊界可以反射應(yīng)力波, 無限單元?jiǎng)t可以盡量減少應(yīng)力波從自由界面反射回有限單元體內(nèi)。為了在金屬表面獲得塑性變形, 激光沖擊所產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力必須超過被處理金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度即： （）聯(lián)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(chǎn)生的沖擊波峰值壓力不應(yīng)超過材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，即： （）聯(lián)立（）和（）可得可得激光沖擊處理時(shí)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(shí)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(yīng)力R0 作用, 板中有一直徑為d 的小圓孔。時(shí), 代入() 式, 各應(yīng)力分量為: （）　當(dāng)r =3/2d 時(shí), y 軸方向的各應(yīng)力分量為: （）　這種狀態(tài)相當(dāng)于無孔平板受拉伸時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。因此, 一般情況下, 激光脈沖寬度應(yīng)在幾個(gè)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3 個(gè)典型區(qū)域組成。圖中A點(diǎn)為疲勞源, 白色箭頭為擴(kuò)展方向, 白線范圍內(nèi)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。 ( b) lasershocked激光沖擊強(qiáng)化試樣的疲勞源與試樣表面有一段距離, 相當(dāng)于強(qiáng)化層的深度。在循環(huán)載荷作用下, 裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第二階段。根據(jù)圖示的標(biāo)尺估計(jì), 其每個(gè)周期疲勞紋的進(jìn)展只有未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)化試樣雖然疲勞紋也有加寬, 但擴(kuò)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(yīng)變過程中尚有相當(dāng)大的塑性形變, 其產(chǎn)生的形變抗力將使材料產(chǎn)生一定的/ 循環(huán)硬化0 效應(yīng), 這種疲勞過程中的強(qiáng)化效應(yīng)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