【正文】 沖擊區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的壓力載荷，然后將其作為載荷直接作用在板料表面。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。 （ ） 式中彳為吸收系數(shù)， 0． 800． 95； r為等離子體的絕熱指數(shù)，這 里 取 1． 67； Zto，Zco知分別為靶材和約束層材料的聲阻抗，單位 kg／ m2s； Ka和 Kc分別為與能量吸收層和約束層密度有關(guān)的參量，單位 kg／ m3； P為等離子體的密度，單位 kg／m3，可看作為是約束層材料、能量吸收層和工件材料汽化蒸汽的綜合體；而為激光功率密 度，單位 W／ cm2； pmax為沖擊波壓力峰值，單位 Gpa。 A為表面涂層對激光的吸收率 。 （ B） 激光誘導(dǎo)沖 擊波壓力幅值 時間曲線確定 在有限元模擬過程中 , 假設(shè)激光誘導(dǎo)沖擊波的空間分布是均勻的 , 時間分布則由 PVDF傳感器記錄的壓電信號經(jīng)積分運算后得到 , 積分公式為 : （ ） 式中 , K為 動態(tài)標定系數(shù) , A為 PVDF有效激活面積 ,R為 PVDF兩極并聯(lián)電阻 ( 50歐 )。激光沖擊波壓力值在整個作用時間內(nèi)并不相等，是隨時間的變 化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為準高斯分布形式。urve of Laser shock wave pressure 對于有限單元區(qū)域 , 邊界條件是限制對稱軸上節(jié)點沿半徑方向的位移。有限單元的自由邊界可以反射應(yīng)力波 , 無限單元則可以盡量減少應(yīng)力波從自由界面反射回有限單元體內(nèi)。 下圖為本論文模擬 時的邊界約束： 第三 章 激光沖擊中殘余應(yīng)力場的分析 激光沖擊處理工藝參數(shù)的選擇 激光沖擊處理工藝參數(shù)指的是 : 激光脈沖 ( 平均 ) 功率密度、光斑直徑和激光脈沖寬度 ( FWHM) ,三者之間的關(guān)系可以表示為 : : （ ） 其中 , E 為激光脈沖能量 , Io 為激光脈沖功率密度 ,D 為光斑直徑 , S為激光脈沖寬度。 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態(tài)屈服強度即 ： （ ） 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 過材料的動態(tài)抗拉強度 ，即： （ ） 聯(lián)立（ ）和（ ）可得 可得激光沖擊處理時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 。因而 y 軸的應(yīng)力狀態(tài)直接影響裂紋的形成和擴展。時 , 代入 () 式 , 各應(yīng)力分量為 : （ ） 當 r =3/2d 時 , y 軸方向的各應(yīng)力分量為 : （ ） 這種狀態(tài)相當于無孔平板受拉伸時的應(yīng)力狀態(tài)。因此對小孔進行激光沖擊強化處理時 , 激光光斑直徑 D 應(yīng)滿足 : （ ） 激光脈沖寬度的選擇 為了獲得較大的強化深度 , 需要采用較大的激光脈沖寬度 。因此 , 一般情況下 , 激光脈沖寬度應(yīng) 在幾個納秒到幾十納秒之間。整個過程中靶體表面及內(nèi)部的應(yīng)力場始終在變化，通過 abaqus軟件可以清楚地看到整個過程。由圖可見 , 疲勞斷口由疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū) 3 個典型區(qū)域組成。比較圖 ( a) , ( b) 可以看到 , 激光沖擊強化后鋁合金的疲勞源位置與未經(jīng)激光沖擊強化的疲勞源位置有明顯不同。 圖中 A點為疲勞源 , 白色箭頭為擴展方向 , 白線范圍內(nèi)為疲勞裂紋擴展區(qū)。 圖 ( a) 未受沖擊材料的疲勞區(qū) 。 ( b) lasershocked 激光沖擊強化試樣的疲勞源與試樣表面有一段距離 , 相當于強化層的深度。同時 , 表面殘余壓應(yīng)力與加載應(yīng)力疊加后使表面層總應(yīng)力降低 , 致使表層的總應(yīng)力大大低于強化層的疲勞極限 , 因此裂紋源移向強化層以內(nèi)。在循環(huán)載荷作用下 , 裂紋擴展進入第二階段。圖 ( a) 為未經(jīng)激光沖擊強化的試樣 , 從圖中可以看到 , 疲勞紋相互平行且具有規(guī)則間距 ,裂紋擴展速率較大 , 同時在擴展初期就可以觀察到二次裂紋。根據(jù)圖示的標尺估計 , 其每個周期疲勞紋的進展只有未經(jīng)激光沖擊強化試樣的 1/ 5~ 1/ 4。這是因為在疲勞裂紋擴展第二階段初期 , 裂紋較淺而較平坦 , 但由于受到強大的殘余壓應(yīng)力作用 , 裂紋擴展過程中隨每次循環(huán)張開的幅度必然小于未經(jīng)強化的材料 ,已產(chǎn)生的疲勞紋不斷受到碾擠 ,最終變成云紋狀 , 其上的疲勞紋無法辨別。 圖 紋擴展第二階段初期斷口 ( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample 圖 為疲勞裂紋擴展第二階段后期的 典型照片。而激光沖擊強化試樣雖然疲勞紋也有加寬 , 但擴展穩(wěn)定 , 沒有觀察到二次裂紋。這是因為疲勞裂紋擴展過程中兩邊斷口上峰 峰、谷 谷相對應(yīng) , 其峰臺部分不斷受到碾擠而形成的擠壓脊 , 其上的疲勞紋無法辨別 , 這屬于解理、非晶體學(xué)脆性的疲勞 紋形態(tài) , 應(yīng)是激光沖擊強化鋁合金低周疲勞的重要特征。 ( a) 未受沖擊試樣疲勞斷口的疲勞紋 。 ( b ) fatig ue striations of lasershocked sample 由于本實驗加載應(yīng)力大于試驗材料的屈服強度 , 金屬在每一周期都有一定量的塑性變形 , 所以材料處于彈塑性應(yīng)變狀態(tài) , 產(chǎn)生的應(yīng)變包括彈性應(yīng)變量和塑性應(yīng)變量。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。如圖所示 , 兩者斷口皆具有靜拉伸狀態(tài)下的斷裂特征 , 又由于疲勞擴展區(qū)實際上等于造成了一種預(yù)裂紋 , 故斷口呈現(xiàn)張開型斷口特征。兩者的主要區(qū)別在于由于疲勞紋擴展形式的不同帶來的疲勞擴展區(qū)面積的差異和殘余應(yīng)力的有無 , 斷裂時的真實應(yīng)力有所不同。 而在激光沖擊強化試樣上 , 由于殘余應(yīng)力的作用 , 最終斷裂速度變慢 , 在斷口上揭示出原材料的一些晶體特 征 , 在圖 ( b) 上可以看到許多細小的韌窩分散在斷口上 ,這與試驗材料的金相組織相吻合。 (b) 激光沖擊試樣 Fig. SEM photos of final rupture ( a) nonlasershocked sample。它取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裂紋擴展的應(yīng)力條件、裂紋尖端區(qū)域的形變和斷裂機制。由于疲勞源區(qū)最早形成，且裂紋擴展速率緩慢，擴展步長較小，而且，由于裂紋閉合效應(yīng)，兩個匹配斷口反復(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。當疲勞裂紋擴展到臨界尺寸時，試樣出現(xiàn)瞬斷，瞬斷所形成的區(qū)域即為瞬斷區(qū)，斷面起伏較大，其特征與靜載拉伸斷口較 為相似。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象，采用 WYKO NTll00型非接觸式光學(xué)輪廓儀對各個斷口不同區(qū)域的粗糙度進行了測量，實驗儀器如圖 。 圖 WYKONTI 100硝 1F接觸式光學(xué)輪廓儀 WYKO NTI 1 00 optical profiler 圖 5． 5示為激光沖擊處理試樣對應(yīng)平均應(yīng)力 96． 9MPa下疲勞斷口不同區(qū)域粗糙度。激光沖擊樣對應(yīng)平均應(yīng) 力 96． 9MPa卜疲勞斷口不同區(qū)域祖糙度 。從表 5． 7和圖 5． 15中可以看出，①四種不同處理狀態(tài)下的疲勞斷口沿裂紋擴展方向距疲勞源距離的增加粗糙度逐漸變大，這主要是因為裂紋擴展的不同階段試樣承受載荷水平不同所致，與上述理論分析一致；②在同一載荷水平下，激光沖擊處理后疲勞斷口不同區(qū)域的粗糙度整體相比未沖擊處理斷 口較小，這可能是因為激光沖擊強化致使試樣表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，高密度位錯及晶粒細化，這些都抑制了裂紋擴展速度，裂紋擴展步長減小，因此表現(xiàn)出粗糙度變小；③對于同一處理狀態(tài)不同載荷下，即未沖擊處理試樣不同載荷下或激光沖擊處理試樣在不同載荷下，在 96． 9MPa下所對應(yīng)的疲勞斷口三個區(qū)域粗糙度均小于 106． 6MPa所對應(yīng)的疲勞斷口。綜上所述，疲勞斷面粗糙度在一定程度上反應(yīng)了材料抗疲勞性能的強弱，激光沖擊強化誘導(dǎo)材料表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與外載荷疊加，降低了試樣應(yīng)力水平，抑制了裂紋擴展速率，裂紋擴展 步長減小，裂紋閉合效應(yīng)增強，表現(xiàn)出斷面粗糙度較小。這說明，激光沖擊強化處理改變了裂紋擴展方向，抑制了裂紋擴展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。這說明，激光沖擊強化處理改變了裂紋擴展方向抑制了裂紋擴展速率，從而提高了試樣的疲勞壽命。在論文的每一部分都是我和他們共同合作的見證，張老師給我提出了許多意見，在我和同學(xué)的交流下讓我更清楚的對該論文有了更深刻的理解。人生也可以當作論文，我可以按同樣的方法去了解它。這個畢業(yè)設(shè)計是我走向人生的一個中轉(zhuǎn)站，我將要在此起航，我從中體會到了一股力量，讓我更踏實的邁向遠方。同時也感謝培養(yǎng)了我 4年之久的母校，教會了我許多知識以及各種做人的態(tài)度，當然也要感謝我的父母，沒有你們的支持我不會走