【正文】 較小，而且，由于裂紋閉合效應(yīng)，兩個(gè)匹配斷口反復(fù)張開與閉合，不斷摩擦使得源區(qū)的光澤較亮、粗糙度較小。( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋。在循環(huán)載荷作用下, 裂紋擴(kuò)展進(jìn)入第二階段。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。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。材料參數(shù)為：密度2780g/mm3，彈性模量為73GP。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)。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)。（3）無機(jī)械和熱應(yīng)力損傷。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。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。（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。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。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(rùn)滑導(dǎo)致鋁合金耐磨性差。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。 Residual stress field。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。上下表層為殘余壓應(yīng)力機(jī)械噴丸成型后板料的特點(diǎn)：A 上下表層為殘余壓應(yīng)力 B 受噴表層的材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化C 受噴表面變得粗糙 激光沖擊技術(shù) 激光沖擊強(qiáng)化的原理 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)能提高許多金屬材料的抗疲勞斷裂性能, 該技術(shù)利用高功率密度(大于1 0s w /c m Z )和短脈沖寬度(幾十納秒)的激光束輻照金屬表面, 使金屬表面的涂層材料瞬時(shí)汽化、膨脹、爆炸, 產(chǎn)生一個(gè)向金屬內(nèi)部傳播的壓力沖擊波, 該沖擊波的峰值壓力高于金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服極限, 使金屬材料產(chǎn)生密集、均勻和穩(wěn)定的位錯(cuò)密度。鄒世坤等研究了激光沖擊處理金屬板材后的裂紋擴(kuò)展速率，最大幅度可降到原來的1/，激光沖擊處理可顯著降低鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。從式中看出，在材料和約束層一定的情況下，激光功率密度越大，沖擊波的峰值壓力越大。同時(shí)采用水作為約束層存在缺點(diǎn)：剛性差異導(dǎo)致約束效果不及玻璃；高功率下易產(chǎn)生擊穿等離子體；高沖擊頻率下，水層飛濺，光路上的水珠和水霧對(duì)激光形成散射。隨后在對(duì)2024 T351 鋁合金試件進(jìn)行激光沖擊試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)激光沖擊后表面硬度有較大的提高，如圖 所示；另外實(shí)驗(yàn)還表明，激光沖擊后的在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的大小及其作用深度較傳統(tǒng)處理方式有很大的改善。據(jù)報(bào)道僅僅石油管道焊縫的處理就達(dá)10 億美元以上的收益。另外, 在模擬單點(diǎn)多次激光沖擊形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí),第一次沖擊計(jì)算得到的殘余應(yīng)力、應(yīng)變值應(yīng)作為初始值讀入顯式積分算法模塊中, 以進(jìn)行第二次沖擊波加載的有限元計(jì)算。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格數(shù)量后的經(jīng)濟(jì)性。無限單元體的引入可以作為一種?? 靜??邊界條件處理。 本論文所要研究的對(duì)象是以模擬鋁合金在沖擊前后應(yīng)力場(chǎng)的變化來近一步分析激光沖擊對(duì)小孔疲勞壽命的影響，下面是通過abaqus來模擬的不同時(shí)刻靶體的應(yīng)力場(chǎng)分布圖：0ns時(shí)的應(yīng)力分布100ns時(shí)的應(yīng)力分布200ns時(shí)的應(yīng)力分布300ns時(shí)的應(yīng)力分布400ns時(shí)的應(yīng)力分布500ns時(shí)的應(yīng)力分布 600ns時(shí)的應(yīng)力分布700ns時(shí)的應(yīng)力分布 動(dòng)態(tài)導(dǎo)入靜態(tài)五 疲勞試樣斷口分析 疲勞斷口及疲勞行為分析 所示為激光沖擊強(qiáng)化和未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化鋁合金疲勞試驗(yàn)斷口的掃描電鏡( SEM) 形貌。( a) ,（b） 可以看出, 激光沖擊強(qiáng)化試樣的裂紋擴(kuò)展速率要比未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣慢且疲勞紋間距更小。當(dāng)材料的Rb / R0. 2達(dá)1. 4時(shí), 將表現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象。斷口不同區(qū)域的粗糙程度反映了疲勞斷裂時(shí)不同時(shí)段試樣所承受的載荷信息。在這個(gè)過程中我學(xué)到的不止是對(duì)該論題的理解，還有在這個(gè)過程中我學(xué)到了科學(xué)的方法，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎挤绞剑唤z不茍的態(tài)度，以及對(duì)人生的規(guī)劃。2．?dāng)嗫诒砻娲植诙妊芯勘砻鳎浩跀嗫谘亓鸭y擴(kuò)展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展的不同階段試樣承受載荷水平不同所致；在同一載荷水平下，激光沖擊處理后試樣疲勞斷口不同區(qū)域的粗糙度相比未沖擊處理試樣疲勞斷口對(duì)應(yīng)區(qū)域粗糙度較小，這是因?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，高密度位錯(cuò)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。一般，疲勞斷裂經(jīng)過三個(gè)階段：疲勞源萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞瞬斷。雖然疲勞裂紋的擴(kuò)展也呈扇形放射狀, 但在表層殘余壓應(yīng)力的作用下, 向表層方向的擴(kuò)展受到了阻礙, ( b) 所示。但是, 過大的激光脈沖寬度易造成金屬表面燒蝕 。根據(jù)激光脈沖作用時(shí)間和實(shí)驗(yàn)記錄的脈沖信號(hào)，可以將激光誘導(dǎo)的沖擊波載荷按照激光脈沖信號(hào)的分布，采取分段逐次逼近的辦法實(shí)現(xiàn)激光脈沖載荷的加載。本論文研究的參數(shù)為：A為325，B為555。激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力大且作用時(shí)間短, 當(dāng)金屬局部表面受到這種沖擊載荷作用時(shí), 擾動(dòng)會(huì)逐漸由近及遠(yuǎn)傳播到未受擾動(dòng)的區(qū)域中去, 這種擾動(dòng)的傳播就是應(yīng)力波。1997 年GEAE 公司（通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠）將激光沖擊強(qiáng)化用于B1B/F101 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費(fèi)9900 萬美元，如圖所示。塑性變形時(shí)間僅僅幾十納秒。約束層對(duì)沖擊強(qiáng)化效果的影響比較明顯，延長(zhǎng)了等離子體的噴射時(shí)間，增加了沖擊壓力和沖擊時(shí)間。 激光沖擊強(qiáng)化的影響因素激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可以大大提高材料的疲勞性能和耐磨性能，并且成功用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域。表面層中的晶粒，其自由表面一側(cè)沒有約束或約束較小，位錯(cuò)容易滑動(dòng)，在其附近形成“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力較低；而在離表面較遠(yuǎn)的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細(xì)觀屈服區(qū)”需要的極限應(yīng)力就較高。文中加套擠壓試驗(yàn)是在從美國疲勞公司引進(jìn)的開縫襯套擠孔設(shè)備上進(jìn)行的 機(jī)械噴丸技術(shù) 機(jī)械噴丸成形是20 世紀(jì)50 年代隨著飛機(jī)整體壁板的應(yīng)用, 在噴丸強(qiáng)化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝方法。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。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。 Fatigue fracture。 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)。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。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。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(zhǎng)關(guān)系。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)。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。 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。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。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。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)。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。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。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。因此，本節(jié)以激光沖擊與未沖擊試樣在平均應(yīng)力為96．9MPa和106．6MPa下的疲勞斷口為研究對(duì)象，采用WYKO NTll00型非接觸式光學(xué)輪廓儀對(duì)各個(gè)斷口不同區(qū)域的