激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究

摘要

激光冲击强化具有高压(Gpa～TPa)、超快（几十纳秒）、超高应变率(107～108S-1，比爆炸成形高出100倍)的显著特点，广泛应用在金属构件的表面改性上，然而目前对于金属材料表层激光冲击细化晶粒的微观结构演变、性能结构关系尚缺乏系统的研究，尤其是对超高应变率下严重塑性变形导致的晶粒细化机制和微观强化机理，现在仍然缺乏统一的认识和深入的理解。本文针对激光冲击铝合金的宏观性能、微观结构演变以及塑性变形进行了若干基础研究，为激光冲击波技术的工业应用提供依据。本文主要开展以下四个方面内容的研究：不同工艺参数下铝合金试样的表面完整性和疲劳寿命研究、不同应变速率下的拉伸性能，在铝合金微观结构演变的基础上研究多次激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理、激光冲击铝合金表面凹坑深度推导和理论计算，获得了以下主要结论和创新性成果：
　　 (1)系统研究了激光单次和多次冲击诱导铝合金塑性变形层不同区域的微观组织结构，建立了深度方向残余应力和微观结构的对应关系，首次深入系统地揭示了激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理；在激光冲击塑性变形区域发现了激光冲击铝合金的空位簇缺陷并对形成机制进行初步的研究：
　　 激光冲击明显细化铝合金冲击区域表层的晶粒。激光单次冲击LY2铝合金晶粒细化过程中，深度方向的位错结构从随机分布位错→位错线→位错缠结→亚晶进行逐步演变，最终形成细化的晶粒；多次激光冲击的铝合金的上表面，晶粒尺寸约为100-200nm。在观测试验结果的基础上，系统地提出了多次激光冲击强化铝合金的微观机制：(i)原始粗晶内位错线的形成；(ii)位错线的堆积导致位错墙和位错缠结的形成；(iii)位错墙和位错缠结细分粗晶成亚晶粒；(iv)在外来载荷的作用下亚晶粒动态再结晶演变成大角晶界，新晶粒形成：深入研究了超高应变率冷塑性作用下，激光冲击外加载荷使铝合金高应变率绝热剪切带发生再结晶，从而形成亚晶直至产生细化的亚微米晶粒，超高应变和应变率对于粗晶的细化和最小平均晶粒尺寸的大小具有至关重要的作用；在多次激光冲击LY2铝合金的轻微塑性变形层中同时发现了空位型位错圈、堆垛层错四面体以及空洞缺陷，超高应变率激光冲击过程中产生超高内应力导致空位缺陷的凝聚形成了这些空位簇缺陷。
　　 (2)研究了材料特性参数和激光工艺参数对铝合金表面微凹坑深度的影响，建立了激光冲击超高应变率下以材料粘性系数、应变率、冲击波压力为特征参数的铝合金表面微凹坑深度的解析表达式，为激光冲击表面完整性的理论分析奠定了基础：
　　 铝合金厚板在激光冲击作用下，应力波还没有到达板料背面就已经衰减到材料动态屈服强度以下，因而不能使板料在整个厚度方向进入屈服状态并产生整体塑性变形，只能使一定深度的材料进入塑性屈服状态，从而在板料迎光面形成一定深度的微凹坑。根据应变波控制方程、弹粘塑性本构关系以及应力波运动速度与材料运动速度之间的关系，获得了弹粘塑性材料的残余应变表达式和板料表面凹坑速度的关系式，建立了激光冲击超高应变率下以材料粘性系数、应变率、冲击波压力为特征参数的铝合金表面微凹坑深度的近似解析表达式。根据铝合金厚板的材料特性、弹粘塑性本构关系，结合理论计算的残余应变表达式和板料表面凹坑速度的关系式，获得了动态屈服强度、冲击波峰值压力、粘度系数、弹性模量与凹坑深度之间的关系。
　　 (3)实验研究了激光冲击对铝合金袁层纳米硬度、弹性模量、残余应力以及表面形貌的影响，开展了不同搭接率下椭圆型光斑的冲击效果和效率等工艺研究，获得了不同条件下合适的激光冲击参数和工艺准则：
　　 测量了激光冲击LY2铝合金冲击区域、影响区域以及未冲击区域的纳米硬度、弹性模量以及接触深度，并研究了激光冲击提高LY2铝合金弹性模量的机制：对不同冲击次数激光冲击产生的表面和深度方向残余应力场进行测试，并分析了多次激光冲击LY2铝合金表面残余应力变化和深度的分布规律；测量了激光冲击LY2铝合金前后冲击区域的表面轮廓和粗糙度，并对其结果进行分析；开展了不同搭接率下椭圆型光斑的冲击效果和效率等研究，获得了不同条件下合适的激光冲击参数和工艺准则。
　　 (4)开展了应变速率对激光冲击铝合金试样拉伸性能的影响关系研究，提出了基于弥散的溶质原子和激光冲击区域表层产生的大量位错相互作用产生的影响机制，研究了不同工艺参数下的铝合金的疲劳性能：
　　 测试了不同应变速率下的激光冲击前后LY2铝合金试样的延伸率和抗拉强度，表征了激光处理后LY2铝合金试样的断口形貌，研究了应变速率对LY2铝合金拉伸试样的延伸率、抗拉强度和断口形貌的影响。研究结果表明：激光冲击能够明显增加LY2铝合金的抗拉强度，并且抗拉强度先有一个轻微的降低随后明显增大，可能是激光冲击铝合金细化晶粒后产生的性能反映；断口形貌显示激光冲击后的铝合金为典型的塑性断裂特征-韧窝形貌；随着应变速率的增加，韧窝增大和变深，并且当应变速率从0.001 s-1增加到0.ls-1，断口上出现韧窝联合的特征；采用三组不同的工艺参数对LY2铝合金试样进行激光冲击处理，并且与未冲击处理试样的疲劳寿命进行对比研究。研究结果表明激光冲击处理能够明显增加LY2铝合金试样的疲劳寿命，并对冲击工艺参数对疲劳寿命的影响进行了分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 激光冲击强化装备的研究概况

1.3 激光冲击强化技术研究概况

1.3.1 激光冲击强化理论研究

1.3.2 激光冲击强化关键工艺和宏观性能

1.3.3 激光冲击强化的微观机理

1.4 本课题的研究意义和主要研究内容

第二章 激光冲击LY2铝合金的表面完整性

2.1 试验材料及方法

2.2 试验和测量设备

2.2.1 激光冲击强化系统

2.2.2 纳米压痕测试系统

2.2.3 残余应力测试设备及方法

2.2.4 表面轮廓和粗糙度测试

2.3 激光冲击LY2铝合金表面完整性研究

2.3.1 单次冲击铝合金不同区域的纳米硬度和弹性模量

2.3.2 单次冲击表面轮廓和粗糙度

2.3.3 多次激光冲击LY2铝合金叶片残余应力和微观硬度变化

2.4 椭圆光斑激光冲击的残余应力分布

2.5 本章结论

2.6 与本章相关的主要研究成果

第三章 激光冲击LY2铝合金的拉伸性能和疲劳性能

3.1 试验方法和测量设备

3.2 不同应变速率下激光冲击强化铝合金的拉伸性能

3.2.1 应变率对激光冲击前后铝合金应力．应变曲线的影响

3.2.2 应变速率对激光冲击后铝合金断口形貌的影响

3.3 不同冲击方式下LY2铝合金的疲劳性能

3.4 本章结论

3.5 与本章相关的主要研究成果

第四章 激光冲击铝合金晶粒细化机制，微观强化机理以及空位簇结构缺陷

4.1 试验材料和方法

4.2 测试方法

4.3 单次激光冲击铝合金微观组织变化

4.3.1 深度方向的腐蚀性能和成分变化

4.3.2 深度方向的微观组织结构

4.3.3 激光单次冲击铝合金的强化机制

4.4 多次激光冲击铝合金微观组织变化

4.4.1 多次冲击下塑性变形层不同区域深度及晶粒形貌

4.4.2 多次冲击下塑性变形层不同区域的微观结构

4.4.3 多次激光冲击铝合金的增强机制

4.4.4 激光冲击波力学效应晶粒细化中的动态再结晶

4.5 激光冲击铝合金空位簇结构缺陷及形成机制

4.5.1 激光冲击LY2铝合金空位簇缺陷

4.5.2 铝合金空位簇缺陷的形成机制

4.6 本章结论

4.7 与本章相关的主要研究成果

第五章 激光冲击铝合金塑性变形的理论模型及计算

5.1 数学模型的建立

5.1.1 条件假设

5.1.2 板料表面凹坑深度

5.2 激光冲击铝合金塑性变形的数值计算

5.3 本章结论

5.4 与本章相关的主要研究成果

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 尚待解决的问题与前景展望

参考文献

攻读学位期间学术论文发表与研究成果目录

致谢