【正文】 上下表層為殘余壓應力 B 受噴表層的材料組織結構發(fā)生變化C 受噴表面變得粗糙 激光沖擊技術 激光沖擊強化的原理 激光沖擊強化技術能提高許多金屬材料的抗疲勞斷裂性能, 該技術利用高功率密度(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汽化、膨脹、爆炸, 產(chǎn)生一個向金屬內(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)定的位錯密度。這兩種因素的共同作用, 提高了金屬材料抗疲勞斷裂的性能。特別適合對小孔、倒角、焊縫和溝槽等部位進行強化，甚至能對一些微米級金屬零件進行強化[7]；4)LSP后，金屬表面留下的沖擊坑深度僅為數(shù)個微米，基本不改變被處理零部件的粗糙度[8]。疲勞壽命包括裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命兩部分, 這兩部分壽命在總壽命中不僅與材料成分、組織、性能有關, 而且與沖擊參數(shù)有關。如生成的大量位錯可以提高材料表面的硬度和強度；細化晶粒不僅能提高材料的強度，還能提高材料表面的塑形和韌性；塑形變形可以在材料表層產(chǎn)生殘余壓應力，從而提高材料的疲勞壽命。當試件表層存在殘余壓力時，可以從兩方面來考慮殘余應力的作用：一方面，在材料表面，殘余壓應力的存在起到了降低平均應力的作用，抵消了部分載荷應力，起到直接的強化的作用；另一方面，較高的殘余壓應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)域往往是殘余拉應力最大區(qū)，此處沒有表面損傷和介質的影響，同時位錯滑移受到較大約束，裂紋萌生困難，表現(xiàn)為疲勞壽命提高，此時殘余壓應力起到間接強化的作用。表面層中的晶粒，其自由表面一側沒有約束或約束較小，位錯容易滑動，在其附近形成“細觀屈服區(qū)”需要的極限應力較低；而在離表面較遠的內(nèi)部晶粒，其形成這樣的“細觀屈服區(qū)”需要的極限應力就較高。當裂紋開始擴展時，隨著表面殘余壓應力的增加，應力強度因子k減小，裂紋擴展速率降低；當k低于裂紋擴展門檻值時，裂紋停止擴展。鄒世坤等研究了激光沖擊處理金屬板材后的裂紋擴展速率，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展速率。對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力在一定程度上抑制了裂紋源的形成，并可延長裂紋擴展的時間。激光沖擊加工在整個激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。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%，抗拉強度提高了12%以上；激光沖擊強化使焊態(tài)5086H32鋁合金的屈服強度回復到母材的水平。（4）激光沖擊處理對耐磨性能及腐蝕性能的影響激光沖擊強化也可以改善耐磨性能和腐蝕性能。其疲勞裂紋和應力腐蝕的性能大大提高了，其使用壽命可以達到上萬年的使用設計要求。 激光沖擊強化的影響因素激光沖擊強化技術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)等領域。影響激光沖擊強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。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。B 激光脈寬激光脈寬的大小對金屬材料的沖擊強化效果至關重要。然而，過大的激光脈沖寬度極易造成金屬材料表面的熱損傷，降低激光沖擊處理的效果。A 能量吸收層能量吸收層（如黑漆、鋁箔）對強化效果的影響基本可以歸結為，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，激光沖擊波的形成實際上取決于涂層與激光之間的作用。B 約束層在涂層的外面覆蓋的一層透明材料稱之為約束層。因此, 約束層結構能有效提高激光誘導沖擊波的峰壓值, 增加沖擊波的脈寬。約束層對沖擊強化效果的影響比較明顯，延長了等離子體的噴射時間，增加了沖擊壓力和沖擊時間。玻璃類約束層對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合力小，且難以重復利用；水約束層的優(yōu)點是廉價、清潔、重復效果好，可用于加工曲面，而且流動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無法取代的。同時采用水作為約束層存在缺點：剛性差異導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激光形成散射。 材料材料的不同，沖擊強化的效果也隨著不同，陳等人對三種不同材料進行激光沖擊強化處理，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。，表面涂層吸收激光能量后迅速氣化并發(fā)生電離，形成等離子體，產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的沖擊波。小孔激光沖擊強化包含2種工藝方法：1．先鉆孔后激光沖擊；2．先激光沖擊后鉆孔。 激光沖擊強化技術的研究與應用 激光沖擊強化是利用強激光誘導的高達數(shù)G 帕的沖擊波壓力使材料表層發(fā)生微觀塑性變形，形成殘余壓應力層，從而有效地改善了金屬材料的機械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕性能。沖擊波峰壓力達到數(shù)萬個大氣壓；應變率達到107S1，比噴丸強化高出萬倍，比爆炸高出百倍。塑性變形時間僅僅幾十納秒。激光沖擊強化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機械損傷，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，所以無熱應力損傷。隨后在對2024 T351 鋁合金試件進行激光沖擊試驗中，發(fā)現(xiàn)激光沖擊后表面硬度有較大的提高，如圖 所示；另外實驗還表明，激光沖擊后的在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應力的大小及其作用深度較傳統(tǒng)處理方式有很大的改善。另外，科研人員擴大研究范圍，對6061T6合金、2024T3 合金、Ti6AL4V 合金進行沖擊，提高其耐疲勞強度，并認為表面硬度的提高是由于強化產(chǎn)生的位錯引起的。研究還發(fā)現(xiàn)：對18Ni 馬氏體時效鋼的焊縫進行處理后，耐疲勞強度提高17%。激光沖擊強化在中國還處于研究和初步應用階段，從事這方面研究的主要有南京航空航天大學和江蘇大學。在激光沖擊強化技術的工程應用方面，美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)進入了商業(yè)化時代。主要是向業(yè)界提供優(yōu)質的LSP 服務和設備。1997 年GEAE 公司（通用電氣航空發(fā)動機廠）將激光沖擊強化用于B1B/F101 發(fā)動機葉片生產(chǎn)線，節(jié)約維修保養(yǎng)費9900 萬美元，如圖所示。據(jù)估計，僅用于軍用戰(zhàn)斗機葉片的處理，美國就可節(jié)約成本逾10 億美元。據(jù)報道僅僅石油管道焊縫的處理就達10 億美元以上的收益。本文選取了先開孔后激光沖擊的工藝方法，通過實驗與數(shù)值模擬分析研究了不同激光沖擊工藝下小孔區(qū)域的殘余應力場及其疲勞性能，并對疲勞斷口進行了相應分析，主要工作如下：1. 以ABAQUS軟件為基礎，建立小孔強化數(shù)值模擬的總體方法，建立起激光沖擊參數(shù)一殘余應力一疲勞特性之間的數(shù)字化分析方法。2. 定性分析激光沖擊對小孔疲勞壽命的影響，在不同的激光參數(shù)下的疲勞數(shù)值分析，且這些參數(shù)獨立改變，為小孔激光沖擊強化過程中殘余應力控制和疲勞性能提供指導。4. 進行激光搭接沖擊處理實驗后對疲勞性能進行分析并從斷口形貌與斷面粗糙度的角度對不同處理狀態(tài)下疲勞斷口進行了相應的研究分析。本文以ABAQUS軟件為平臺，建立激光沖擊強化前后的疲勞壽命預測模型，模擬時主要研究激光沖擊誘導的殘余應力場及塑形變形兩者的協(xié)同效應，分析其對疲勞壽命的影響機理。用不同激光沖擊參數(shù)沖擊強化小孔，研究分析小孔殘余應力場，進而分析對小孔疲勞壽命的影響。激光誘導的沖擊波峰值壓力大且作用時間短, 當金屬局部表面受到這種沖擊載荷作用時, 擾動會逐漸由近及遠傳播到未受擾動的區(qū)域中去, 這種擾動的傳播就是應力波。由于應力波在金屬靶材內(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, 必須使設定的顯式算法的計算時間大于激光誘導沖擊波的持續(xù)時間。另外, 在模擬單點多次激光沖擊形成的殘余應力場時,第一次沖擊計算得到的殘余應力、應變值應作為初始值讀入顯式積分算法模塊中, 以進行第二次沖擊波加載的有限元計算。沖擊波載荷的大小、加載方式及加載時間是影響數(shù)值模擬精度的關鍵。 幾何模型的建立abaqus的part模塊里面可以建立草圖，也可以進行拉伸、旋轉、掃描、放樣等操作。本文研究激光沖擊對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。選擇本構模型最核心的一點是：利用某本構模型擬合得到的應力應變數(shù)據(jù)應最大程度上能反映你所使用的實驗數(shù)據(jù)，吻合程度越好，說明選擇的模型對這組材料越適合。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用。本論文研究的參數(shù)為：A為325，B為555。劃分網(wǎng)絡是有限元模型的一個重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問題較多，工作量較大，所劃分的網(wǎng)絡形式由于作者的水平和思路不同而有很大的差異，因而對計算機精度和計算規(guī)模會產(chǎn)生顯著的影響。所以應注意增加網(wǎng)格數(shù)量后的經(jīng)濟性。（A） 激光誘導沖擊波峰壓估算由于激光沖擊波加載本身的特殊性，即作用時間短(ns級)、壓力大(GPa級)，因此用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。確定沖擊波的加載方式后，需確定壓力載荷的峰值。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播理論，在沖擊波陣面上，其質量、動量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關系，推得激光沖擊波峰值壓力估算式。在Fabbro R 等人的研究基礎上, 考慮到表面涂層的吸收率和約束層的透射率, 激光誘導的沖擊波峰值壓力也可以表示為 :