【正文】 面，較高的殘余壓應(yīng)力阻止了裂紋在表面萌生，使裂紋萌生由表面推移至次表面薄弱區(qū)，該區(qū)域往往是殘余拉應(yīng)力最大區(qū)，此處沒有表面損傷和介質(zhì)的影響，同時(shí)位錯(cuò)滑移受到較大約束，裂紋萌生困難，表現(xiàn)為疲勞壽命提高，此時(shí)殘余壓應(yīng)力起到間接強(qiáng)化的作用。當(dāng)裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，隨著表面殘余壓應(yīng)力的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子k減小，裂紋擴(kuò)展速率降低；當(dāng)k低于裂紋擴(kuò)展門檻值時(shí)，裂紋停止擴(kuò)展。對(duì)激光處理過的材料的疲勞斷口分析可知，激光沖擊部位表層殘余壓應(yīng)力在一定程度上抑制了裂紋源的形成，并可延長裂紋擴(kuò)展的時(shí)間。如高溫合金GH30氬弧焊焊縫經(jīng)激光沖擊處理后，焊縫表面顯微硬度提高40%，抗拉強(qiáng)度提高了12%以上；激光沖擊強(qiáng)化使焊態(tài)5086H32鋁合金的屈服強(qiáng)度回復(fù)到母材的水平。其疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕的性能大大提高了，其使用壽命可以達(dá)到上萬年的使用設(shè)計(jì)要求。影響激光沖擊強(qiáng)化效果的影響因素主要有激光參數(shù)、能量吸收層和約束層、材料等。B 激光脈寬激光脈寬的大小對(duì)金屬材料的沖擊強(qiáng)化效果至關(guān)重要。A 能量吸收層能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對(duì)強(qiáng)化效果的影響基本可以歸結(jié)為，它與靶材的熱物性行為之間差別，這種差別使等離子體產(chǎn)生和膨脹、爆炸成為可能，所以在有涂層時(shí)，激光沖擊波的形成實(shí)際上取決于涂層與激光之間的作用。因此, 約束層結(jié)構(gòu)能有效提高激光誘導(dǎo)沖擊波的峰壓值, 增加沖擊波的脈寬。玻璃類約束層對(duì)沖擊壓力提升效果最明顯，但僅適用于平面加工，且易碎，難于清理；硅膠和合成樹脂與靶材結(jié)合力小，且難以重復(fù)利用；水約束層的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)、清潔、重復(fù)效果好，可用于加工曲面，而且流動(dòng)的水約束層可以帶走等離子體爆炸后的固體粉塵顆粒，這些優(yōu)勢是其他所有約束介質(zhì)無法取代的。 材料材料的不同，沖擊強(qiáng)化的效果也隨著不同，陳等人對(duì)三種不同材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)其硬度和耐磨性都得到顯著提高，但提高程度不同。小孔激光沖擊強(qiáng)化包含2種工藝方法：1．先鉆孔后激光沖擊；2．先激光沖擊后鉆孔。沖擊波峰壓力達(dá)到數(shù)萬個(gè)大氣壓；應(yīng)變率達(dá)到107S1，比噴丸強(qiáng)化高出萬倍，比爆炸高出百倍。激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機(jī)械損傷，而且激光脈沖短，只有幾十納秒，瞬間完成與沖擊過程，且大部分能量被能量吸收層吸收，傳到金屬表面的熱量很少，所以無熱應(yīng)力損傷。另外，科研人員擴(kuò)大研究范圍，對(duì)6061T6合金、2024T3 合金、Ti6AL4V 合金進(jìn)行沖擊，提高其耐疲勞強(qiáng)度，并認(rèn)為表面硬度的提高是由于強(qiáng)化產(chǎn)生的位錯(cuò)引起的。激光沖擊強(qiáng)化在中國還處于研究和初步應(yīng)用階段，從事這方面研究的主要有南京航空航天大學(xué)和江蘇大學(xué)。主要是向業(yè)界提供優(yōu)質(zhì)的LSP 服務(wù)和設(shè)備。據(jù)估計(jì)，僅用于軍用戰(zhàn)斗機(jī)葉片的處理，美國就可節(jié)約成本逾10 億美元。本文選取了先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究了不同激光沖擊工藝下小孔區(qū)域的殘余應(yīng)力場及其疲勞性能，并對(duì)疲勞斷口進(jìn)行了相應(yīng)分析，主要工作如下：1. 以ABAQUS軟件為基礎(chǔ)，建立小孔強(qiáng)化數(shù)值模擬的總體方法，建立起激光沖擊參數(shù)一殘余應(yīng)力一疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。4. 進(jìn)行激光搭接沖擊處理實(shí)驗(yàn)后對(duì)疲勞性能進(jìn)行分析并從斷口形貌與斷面粗糙度的角度對(duì)不同處理狀態(tài)下疲勞斷口進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。用不同激光沖擊參數(shù)沖擊強(qiáng)化小孔，研究分析小孔殘余應(yīng)力場，進(jìn)而分析對(duì)小孔疲勞壽命的影響。由于應(yīng)力波在金屬靶材內(nèi)部傳播過程中存在反射和相互作用, 因此為了使靶材獲得充分的塑性變形, 必須使設(shè)定的顯式算法的計(jì)算時(shí)間大于激光誘導(dǎo)沖擊波的持續(xù)時(shí)間。沖擊波載荷的大小、加載方式及加載時(shí)間是影響數(shù)值模擬精度的關(guān)鍵。本文研究激光沖擊對(duì)小孔疲勞壽命的影響，模型如下：該有限元模型孔半徑5mm，厚度5mm，采用LY12CZ鋁合金。JC模型形式簡單，參數(shù)少，使用方便，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。劃分網(wǎng)絡(luò)是有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)絡(luò)形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差異，因而對(duì)計(jì)算機(jī)精度和計(jì)算規(guī)模會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。（A） 激光誘導(dǎo)沖擊波峰壓估算由于激光沖擊波加載本身的特殊性，即作用時(shí)間短(ns級(jí))、壓力大(GPa級(jí))，因此用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播理論，在沖擊波陣面上，其質(zhì)量、動(dòng)量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關(guān)系，推得激光沖擊波峰值壓力估算式。為金屬材料與約束層的匹配阻抗, Z1 為金屬材料的沖擊阻抗,Z2 為約束層的沖擊阻抗。 rate c39。在有限元模擬過程中還考慮了幾何非線性的影響?！hin,infinite plate with a circular hole subjected to uniaxial tensile stress對(duì)于無孔的平板, 板中的各應(yīng)力分量為: （）當(dāng)在平板上開一個(gè)直徑為d 的小孔后, 板中的各應(yīng)力分量為: （） 所示的條件下, 小孔的疲勞裂紋是沿y 軸方向形成和擴(kuò)展的。因此在激光沖擊處理小孔時(shí), 為降低應(yīng)力集中所產(chǎn)生的最大應(yīng)力, 提高小孔抗疲勞斷裂能力, 應(yīng)使小孔在3d 的范圍內(nèi)得到強(qiáng)化。 激光沖擊的前過程是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，通過激光沖擊與材料表面作用而產(chǎn)生力的變化，以此來實(shí)現(xiàn)彈性性變。疲勞源的形成位置與試樣表面的微觀缺陷、加工質(zhì)量和殘余應(yīng)力狀態(tài)有密切的關(guān)系?？梢娮云谠雌? 疲勞裂紋以扇面放射方式向平面四周擴(kuò)展, 并呈解理脆性狀疲勞斷口形貌, 這符合高強(qiáng)度鋁合金的疲勞特征。因?yàn)榻?jīng)激光沖擊強(qiáng)化后試樣表面產(chǎn)生了很大的殘余壓應(yīng)力, 它能顯著而有效地降低尖角等應(yīng)力集中部位的拉應(yīng)力峰值。在裂紋擴(kuò)展第二階段初期, 斷口的微觀形貌上出現(xiàn)典型的垂直于解理臺(tái)階的疲勞紋, 即垂直于裂紋擴(kuò)展方向, 由于晶界、第二相等的存在, 有時(shí)會(huì)發(fā)生一定角度偏離主擴(kuò)展方向, 。此外, ( b) 所示, 激光沖擊試樣的疲勞紋邊緣彎曲, 如云紋一般, 紋與紋之間也難辨別明顯的界限。 ( b) 激光沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 SEM photos at the beginning of stage in fatigue crack propagation zone. ( a ) fatigue striations of nonlasershocked sample。可以注意到, 在激光沖擊強(qiáng)化材料的疲勞斷口上, 觀察到較多位于相同高度的云紋狀平臺(tái), ( b) 所示。 ( b) 激光沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 SEM photo sat the ending of II stage in fat iguecrack propagation zone. ( a ) fatigue striations of nonlasershocked sample。 為疲勞試樣瞬時(shí)破斷區(qū)的SEM 形貌圖。未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的材料, 斷裂時(shí)的真實(shí)應(yīng)力較大, 最后瞬時(shí)斷裂速度大, 在斷口上呈現(xiàn)大小較均勻的韌窩。 ( b) lasershocked sample 斷口表面粗糙度分析粗糙度是裂紋擴(kuò)展方式的直接結(jié)果。而隨著疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，裂紋尺寸不斷增大，實(shí)際承受載荷有效面積逐漸減小，試樣的受力狀態(tài)發(fā)生改變，試樣承受應(yīng)力逐漸增大，裂紋閉合效應(yīng)逐步減弱，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快，裂紋擴(kuò)展步長增大，造成該區(qū)域粗糙度增大。測量區(qū)域面積為120x91pm2，每個(gè)斷i：3選取三個(gè)測量區(qū)域：疲勞源區(qū)，距疲勞源0．5mm區(qū)，距疲勞源1．0mm區(qū)。（a） 疲勞源區(qū)（a）The region of the crack initiation（b）距疲勞源0．5ram區(qū)Fig（b）0．5mm away from the crack initiation（c）距疲協(xié)源1．Omm (c) away from the crack initiation表5．7激光沖擊與未沖擊試樣在不同平均應(yīng)力水平下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度值Table 5．7 Roughness of fatigue fracture of untreated specimen and specimen by LSP圖5．8為不同處理狀態(tài)下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度對(duì)比坐標(biāo)圖。Fig． Roughness of fatigue fracture under different treatments 本章總結(jié)1．疲勞斷口分析表明：對(duì)于未沖擊試樣，疲勞源出現(xiàn)于小孑L邊緣附近，裂紋擴(kuò)展呈放射狀，而對(duì)于單面激光沖擊處理后的試樣，疲勞源出現(xiàn)在試樣未沖擊面的小孔邊緣附近，裂紋擴(kuò)展呈弧線狀，這主要是因?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化后在材料表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，以及晶粒細(xì)化和位錯(cuò)組織，使得沖擊面抗疲勞性能增強(qiáng)，疲勞裂紋擴(kuò)展于此區(qū)域時(shí)，主裂紋的擴(kuò)展受到一定阻力，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，朝向材料強(qiáng)度薄弱方向擴(kuò)展。致 謝在***教授的引導(dǎo)以及各位師兄的幫助下，我最終完成了論文。我是一個(gè)將要踏上社會(huì)的青年，我要將我在學(xué)校里學(xué)到的東西帶入社會(huì)，在同學(xué)和父母的支持下，我相信我會(huì)走的更遠(yuǎn)。在此項(xiàng)向你們深感表謝，有你們的支持我會(huì)飛的更高，因?yàn)槟銈兘o了我永不停止的動(dòng)力！ 參考文獻(xiàn)