【正文】 波壓力高達幾千兆帕，遠遠大于材料的動態(tài)屈服強度，使材料表面產(chǎn)生塑性應(yīng)變，出現(xiàn)孿晶等晶體缺陷，形成極其細(xì)小的位錯亞結(jié)構(gòu)，并使材料表層形成很大的殘余壓應(yīng)力，從而大幅度提高材料的強度、硬度和疲勞性能[6]。 激光沖擊強化的示意圖在激光脈沖作用期間，其強度保持恒定時，施加于金屬靶面的沖擊波壓力維持一個平穩(wěn)階段。根據(jù)以上分析，可以把激光沖擊強化過程分成三個階段：靶面吸收高能激光并汽化：等離子體形成高壓沖擊波加載于靶面；靶材動態(tài)響應(yīng)而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 激光沖擊技術(shù)的發(fā)展早在20世紀(jì)60年代,一些研究人員就發(fā)現(xiàn)用脈沖激光作用在材料表面可以在固體中產(chǎn)生一定的沖擊波。在激光沖擊過程中,當(dāng)高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(ns量級)的強激光沖擊金屬材料表面時,能量吸收層充分吸收高能激光的能量,而在極短時間內(nèi)形成一個高溫高壓的等離子體層,該等離子體層迅速向外噴射,由于約束層的存在,等離子體的膨脹受到約束限制,導(dǎo)致等離子體壓力迅速升高,結(jié)果施與靶面一個沖擊加載,產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強沖擊波。在此過程中,由于有能量吸收層本身的“犧牲”作用,保護了工件表面不受到激光的熱損傷,而約束層的存在大大提高了激光沖擊波的壓力和作用時間,這也就實現(xiàn)了把激光束的光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機械能。在激光沖擊材料過程中,由于所采用的激光功率密度為109Wcm2量級,脈寬僅為ns量級,靶體表面產(chǎn)生等離子體近似乎是瞬間的,因此反沖機制起主導(dǎo)作用。由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波峰值應(yīng)力大于材料的動態(tài)屈服強度,從而使板料產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu),使金屬表面發(fā)生塑性變形,在金屬表面層內(nèi)形成殘余壓縮應(yīng)力,從而提高金屬零件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命[9]。由于激光具有良好的可控性及可重復(fù)性等諸多特點。 研究表明,激光沖擊強化適用材料的范圍廣,如碳鋼、合金鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁合金、鈦合金、及鎳基高溫合金等,都能用激光沖擊技術(shù)來提高材料性能。 激光沖擊波測量的裝置[12]激光沖擊成形是在激光沖擊強化基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,用于金屬板料塑性成形的一種新技術(shù),它是利用激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力作為板料塑性成形的變形力，從而實現(xiàn)金屬板料的宏觀塑性變形[12]。 板料激光沖擊成形示意圖[13]由于激光器脈沖能量的限制,沖擊成形中激光光斑的尺寸一般取為Φ5mm～Φ10mm,當(dāng)板料成形區(qū)域或成形深度較大時,就必須采用多點、多次沖擊(就好比鉗工用小榔頭錘擊板金件),這時要根據(jù)板料成形件的精度分別采用粗沖成形和精沖成形。激光沖擊強化的技術(shù)優(yōu)勢十分明顯:(1)沖擊壓力高,例如,脈寬25ns,脈沖能量80J、光斑直徑約 1mm2的激光束作用在金屬表面壓力可達10GPa。在激光沖擊強化技術(shù)的工程應(yīng)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。美國加利福尼亞大學(xué)國家重點實驗室與MIC(.)合作,研制開發(fā)了平均功率為600W、峰值功率為3GW、每秒鐘能產(chǎn)生10個脈沖的釹玻璃激光器,已成功用于航空渦輪發(fā)動機葉片的強化處理。如美國空軍研究實驗室材料和制造分部的實驗表明,一種典型的風(fēng)扇葉片高周疲勞強度為690Mpa,受小的外來物損傷其疲勞強度降低到140Mpa[15]。國內(nèi)這方面的研究相對起步較晚,1996年,中國科技大學(xué)吳鴻興教授等人研制了我國第一臺小型化的激光沖擊強化裝置,并投入了基礎(chǔ)應(yīng)用研究,某些成果已用于成飛公司的飛機機翼的制造[16]。激光噴丸成形是在激光沖擊強化和機械噴丸的基礎(chǔ)上提出來的。噴丸成形的目的是要求得到一定分布的應(yīng)力場。而沖擊強化的目的是在提高工件表面質(zhì)量的同時還要防止板料發(fā)生翹曲等宏觀變形。由于激光噴丸成形技術(shù)具有較高的表面質(zhì)量和成形精度,良好的易控性和重復(fù)性及優(yōu)異的抗疲勞和耐腐蝕性能,因而在航空和國防制造業(yè)、船舶和汽車制造業(yè)、變形零件的精確校直等實際生產(chǎn)中具有潛在巨大的應(yīng)用前景。 激光沖擊波的研究20世紀(jì)60年代初期，許多學(xué)者開始對調(diào)Q激光照射在金屬靶材上產(chǎn)生的應(yīng)力波產(chǎn)生興趣，并對其應(yīng)用做了初步探索。 CLAUER等人發(fā)現(xiàn)在靶材的表面加涂層和透明約束層的結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的沖擊應(yīng)力波。1979年，CLAUER等對不同時效狀態(tài)下的鋁合金進行激光沖擊處理，結(jié)果表明：激光沖擊處理的效果與沖擊條件、試驗材料及其材料的時效狀態(tài)有密切的關(guān)系。BANAS也特別研究了激光沖擊強化技術(shù)對18Ni合金鋼焊接區(qū)的硬度和疲勞強度的影響。激光沖擊強化處理的特點和長處：與噴丸、擠壓等傳統(tǒng)強化工藝相比，激光沖擊強化處理技術(shù)具有一系列優(yōu)點。在典型的激光材料加工(如激光切害、激光合金化與涂覆、激光焊接等)過程中激光作為一種熱輸出直接作用在材料上。激光沖擊強化處理則完全不同，激光能量被用來產(chǎn)生等離子體并驅(qū)動沖擊波作用在材料上，作用在材料上的是力學(xué)效應(yīng)。因而，在合適激光參數(shù)下，激光沖擊強化處理對材料表層無結(jié)構(gòu)熱損傷，材料表面光潔度基本無變化，是無滲入或沉積污染的清潔工藝。因此，在自動制造業(yè)中有很好匹配性，比如在生產(chǎn)線上，兩束激光同時沖擊一個工件相對區(qū)域的情形也時常可以見到。激光沖擊強化模型包括沖擊波壓力模型、殘余應(yīng)力模型以及應(yīng)力－應(yīng)變輸出模型。為了提高估算模型精度，ZHANG 考慮了等離子體內(nèi)能和等離子體膨脹半徑的影響，提出了新的沖擊壓力估算模型[22]。Hu等人采用簡化模型模擬重疊沖擊強化的殘余應(yīng)力場分布。在激光沖擊強化中，沖擊波壓力是隨著時間變化的幅值，應(yīng)變率很高，可達106s1，所以在模型中引入以下假設(shè)：材料是理想彈塑性體，所有的塑性變形發(fā)生在統(tǒng)一應(yīng)變率下。 數(shù)值模擬技術(shù) 數(shù)值模擬技術(shù)概述數(shù)值模擬也叫計算機模擬。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，CAD/CAM/CAE技術(shù)日趨成熟，計算機應(yīng)用遍及各類工程和技術(shù)研究領(lǐng)域。數(shù)值模擬包含以下幾個步驟：（工程問題、物理問題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。牛頓型流體流動的數(shù)學(xué)模型就是著名的納維—斯托克斯方程（簡稱方程）及其相應(yīng)的定解條件。由于人們的努力，目前已發(fā)展了許多數(shù)值計算方法。這些過去被人們忽略或回避的問題，現(xiàn)在受到越來越多的重視和研究。實踐表明這一部分工作是整個工作的主體，占絕大部分時間。正是在這個意義上講，數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗。，大量數(shù)據(jù)只能通過圖像形象地顯示出來。 數(shù)值模擬技術(shù)的背景和發(fā)展許多常規(guī)工程分析問題所涉及的過程通常用流體力學(xué)和彈塑性動力學(xué)模型來描述，根據(jù)情況采用一維或多維空間，綜合化學(xué)反應(yīng)方程、反應(yīng)率方程、熱傳導(dǎo)方程和材料本構(gòu)關(guān)系等，成為包含有線性和非線性偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程及代數(shù)方程的一個封閉方程組，根據(jù)具體情況有不同的初始條件和邊界條件。這種方法在有限的情況下是可行的，但是過多的簡化可能導(dǎo)致過大的誤差，甚至產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。因此，人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物——計算機來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這就是數(shù)值模擬技術(shù)。目前在激光沖擊效應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域主要的數(shù)值模擬方法包括有限單元法、有限差分法、有限體積法等。有限元方法是先將連續(xù)的求解域分解成有限個單元，組成離散化模型，然后求其近似的數(shù)值解。有限體積法是在物理空間將偏微分方程轉(zhuǎn)化為積分形式，然后在物理空間中選定的控制體積上把積分形式守恒定律直接離散的一類數(shù)值方法，適用于任意復(fù)雜幾何形狀的求解區(qū)域，是在吸收了有限元方法中函數(shù)的分片近似的思想，以及有限差分方法的一些思想發(fā)展起來的高精度算法，目前已在復(fù)雜區(qū)域的調(diào)整流體力學(xué)數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。可以說，繼理論分析和科學(xué)實驗之后，數(shù)值模擬已成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要手段之一。早期計算機的能力十分有限，受計算費用和計算機儲存能力的限制，數(shù)值模擬程序大多是一維或二維的，只能計算垂直碰撞或球形爆炸等特定問題?，F(xiàn)在，計算程序一般都由二維擴展到了三維，從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題。2）近年來數(shù)值模擬方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流等求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題。3）從單一坐標(biāo)體系發(fā)展多種坐標(biāo)體系。為克服這種缺陷，采用了三種方法：（１）兩個程序簡單組合，如CTHEPIC，爆炸與侵徹由不同的程序分開計算；（２）在同一程序中采用多種坐標(biāo)體系，如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐標(biāo)，其后的LSDYNA3D除原有類型外，新加了歐拉方法及拉格朗日與歐拉耦合方法，并且又發(fā)展的DYTRAN則是拉格朗日型的LSDYNA3D與歐拉型的PISCE的整合體；（３）采用新的計算方法，如由求解線性問題進展到分析非線性問題。諸如巖石、土壤、混凝土等，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性數(shù)值算法才能解決。為此，近年來國外一些公司花費了大量的人力和資金，開發(fā)了諸如LSDYNA3D、ABAQUS和AUTODYN等專長求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實踐。第二章 激光沖擊波的傳播及其動態(tài)模擬 激光沖擊波概述激光沖擊波是利用高功率短脈沖激光輻照靶材, 產(chǎn)生高溫高壓等離子體從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的高壓沖擊波。激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)及力效應(yīng)對應(yīng)著激光沖擊波的兩種不同的產(chǎn)生機制:(1)熱沖擊引起的沖擊波，它起源于靶體表面快速地吸收激光脈沖能量所造成的熱膨脹和巨大的應(yīng)力梯度；(2)機械沖擊引起的沖擊波，它起源于迅速蒸發(fā)與膨脹的高溫等離子體對靶體的反沖壓力。在激光沖擊處理的過程中，脈沖為ns量級的激光束輻射到材料表面的吸收層時，常常輻射僅幾十納秒后即有激光吸收區(qū)形成，這時吸收層汽化尚未發(fā)生，此吸收區(qū)是環(huán)境氣體發(fā)生光學(xué)擊穿或電離形成的，通常對應(yīng)于爆轟波的形成。溫度還不十分高的等離子體對激光部分透明，通過自調(diào)整體機制維持近于不變的光學(xué)厚度。激光功率密度越大、脈沖能量越高，所形成的爆轟波越強。由于此沖擊波源于激光等離子體對空氣的高速壓縮，所以稱它為激光等離子體沖擊波。根據(jù)沖擊波的形成原理，這種等離子體對周圍空氣的快速高壓的壓縮在極短的時間內(nèi)即可在空氣里產(chǎn)生沖擊波。 LSD和LSC[25]因此所形成的激光等離子體沖擊波向四面八方進行傳播，但是大體分為兩部分，一部分向靶材內(nèi)部傳播，一部分向靶材外部，即在空氣中傳播。由于激光與物質(zhì)的相互作用總需要一個過程來完成，激光驅(qū)動的沖擊波也有一個從形成到衰減的復(fù)雜過程。根據(jù)沖擊方式的不同，激光沖擊分為兩種物理類型。 兩種沖擊模型的示意圖[25] 激光沖擊波的力學(xué)效應(yīng)激光沖擊波的產(chǎn)生主要是由于激光與能量轉(zhuǎn)換體間相互作用誘發(fā)等離子體噴射，施與靶面一反沖壓力，并在激光能量的支持下維持和傳播，是一種物理性質(zhì)的爆轟波。 約束模型下等離子體傳播的一維模型[26]后來激光沖擊采用約束模式(采用吸收層加約束層的布置)，使激光沖擊波峰值壓力提高數(shù)倍(與非約束模式相比)。激光誘導(dǎo)沖擊波的較早建模工作是CLAUE:等人進行的，模型考慮了非線性耦合輻照和激光照射時在金屬表面控制壓力發(fā)展的流體動力方程。由此得出激光脈沖結(jié)束時沖擊波峰值壓力的估算式: PmaxGPa=+ ()這里Pmax為沖擊波峰值壓力，I0為激光功率密度，α為激光與靶材的相互作用效率。總能量的一部分αE用于建立脈沖壓力，而另一部分能量(1α)E被用于等離子體的產(chǎn)生和電離。Z是復(fù)合沖擊阻抗，定義為:2Z=1Z1+1Z2 ()上述模型及估算式已被用于激光沖擊強化的理論分析及激光沖擊誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力的估算。其主要原因是:(l)模型沒有具體考慮激光與約束層、能量吸收層相互作用誘導(dǎo)的等離子體激波及在其中的傳播。根據(jù)爆轟波穩(wěn)定傳播的理論，在沖擊波陣面上，其質(zhì)量、動量和能量保持守恒以及沖擊波波速之間的關(guān)系，從而推得激光沖擊波峰值壓力估算式:Pmax=A(γ1)I0Zt0ZC0ρ(2γ1)(KαZC0+KcZt0) ()式中A為吸收系數(shù)，~。激光能量在靶材和約束層間被吸收，并僅僅局限在很薄的表層，這一區(qū)域的物質(zhì)(即涂層)加熱、汽化、離化后形成等離子體，它的爆炸受到了約束層的限制，壓力迅速增大，同時打開界面做功。在激光脈沖加熱過程中，被涂層吸收的激光能量一部分用來增加等離子體的內(nèi)能，另一部分用來打開界面做功，則得到激光脈沖為矩形波時，有如下峰值壓力估算式:PmaxGPa=+3Zgcm2s1I0GWcm2 ()式中:Z為折合阻抗（常數(shù)），a為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能部分的系數(shù)，I0為激光功率密度。當(dāng)σx≠0，σy=σy≠0時,MISES屈服條件為：σxσy=177。σx與εx的關(guān)系式在彈性階段和塑性階段不同，為此先要計算在一維應(yīng)變狀態(tài)下表示的初始屈服條件。顯然σH≥σs于是，本構(gòu)關(guān)系為:dσx=dsx+dσm=2Gdex2Gpdex+Kdεx () 以理想塑性材料為例，則可在平面內(nèi)劃出加載和卸載路徑如下圖所示： 在XY平面上的屈服曲線[27]圖中OA為彈性加載，AB為塑性加載，BC為彈性卸載，CD為反向塑性加載，亦可稱為塑性卸載。②從HEL到峰值壓力段的塑性加載波。激光沖擊波在向材料內(nèi)部傳播時，首先彈性前驅(qū)波以恒定的速度向材料內(nèi)部傳播。當(dāng)塑性加載波在材料表面釋放完后，緊接著是卸載擾動向材料內(nèi)部傳播，由于卸載擾動是以彈性波速q在材料內(nèi)部傳播，卸載擾動在傳播過程中不斷追趕塑性加載波，卸載擾動與加載波的邊界就以一定的速度向前傳播，性加載波隨著卸載波不斷的追趕卸載，峰值壓力不斷減小，當(dāng)卸載擾動完全追上塑性加載波時，塑性加載波即消失。由此可見，沖擊應(yīng)力波的作用過程一個非常復(fù)雜的過程。該過程中瞬態(tài)彈塑性加載與彈塑性卸載共存，同時還伴隨著復(fù)雜的應(yīng)變率效應(yīng)和邊界效應(yīng)。從最基本的激光器參數(shù)以及沖擊約束模型參數(shù)的輸入開始，