發(fā)布時(shí)間：2021-11-04 04:31

　　激光噴丸強(qiáng)化是一種利用脈沖激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)對(duì)金屬材料進(jìn)行表面處理的技術(shù),其具有高壓（GPa^TPa）、超快（幾十納秒）、超高應(yīng)變率(10⁷¹0⁸S^-1,比爆炸成形高出100倍)的顯著特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于金屬改性上,然而目前對(duì)激光噴丸過(guò)程中的微凹坑效應(yīng)、微凹坑引起的殘余應(yīng)力分布、表面粗糙度變化、微凹坑累積的大變形及激光噴丸后的效果評(píng)價(jià)仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和深入的理解。本文針對(duì)激光噴丸強(qiáng)化TC4鈦合金表面微凹坑效應(yīng)引起的表面粗糙度及殘余應(yīng)力變化等內(nèi)容開展了一系列基礎(chǔ)研究,為激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了依據(jù)。論文取得了下列創(chuàng)新研究成果:1、構(gòu)建了單點(diǎn)激光噴丸作用下材料表面凹坑深度的理論計(jì)算模型,分析了單點(diǎn)激光噴丸作用下材料表面凹坑形狀及尺寸演變機(jī)理。基于彈塑性力學(xué)、沖擊波傳遞等理論,從激光噴丸過(guò)程中材料的彈塑性變形出發(fā),建立了單光斑激光噴丸微凹坑理論模型。通過(guò)對(duì)激光功率密度、脈沖寬度及噴丸次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的分析與實(shí)驗(yàn)研究,獲得了不同激光工藝參數(shù)下凹坑形狀及尺寸的變化規(guī)... 

【文章來(lái)源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

激光噴丸強(qiáng)化原理圖

第一章緒論3Fabbro等人[21]在激光沖擊波峰值壓力模型的基礎(chǔ)上，繼續(xù)推導(dǎo)了激光沖擊塑性變形厚度、表面殘余應(yīng)力與激光沖擊波峰值壓力及脈沖寬度的關(guān)系。塑性變形深度的計(jì)算式如下：(/())(()/2)PelplelplmLCCCCHELHEL(1-2)此處PL為塑性變形層深度；m為激光沖擊波峰值壓力；elC、plC為彈塑性波波速；為激光沖擊波持續(xù)時(shí)間；HEL為動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。基于塑性變形深度計(jì)算式，可推導(dǎo)出表面殘余應(yīng)力的計(jì)算模型，具體如下[22]：00(1)42[][1(1)](1)pPsurfLa(1-3)式中surf為表面殘余應(yīng)力；0為初始?xì)堄鄳?yīng)力；為泊松比；a為無(wú)限體半徑。圖1.2激光沖擊波峰值壓力采集原理:(a)VISAR測(cè)量沖擊波壓力[23];(b)PVDF測(cè)量沖擊波壓力[24-25]Fig1.2Acquisitionprincipleoflasershockwavepressure:(a)PressuremeasurementwithVISAR[23];(b)PressuremeasurementwithPVDF[24-25]Peyre等人[23-24]采用激光速度干涉儀VISAR(VelocityInterferometerSystemforAnyReflector)方法測(cè)量了脈寬10~20ns激光誘導(dǎo)的激光沖擊波，測(cè)量結(jié)果顯示激光沖擊波的持續(xù)時(shí)間約為脈沖寬度的2~3倍，具體測(cè)試原理如圖1.2(a)所示。除此之外，Peyre等人[25]還采用PVDF壓電薄膜對(duì)脈寬0.6~3ns的激光誘導(dǎo)的激光沖擊波進(jìn)行了初步測(cè)量，具體原理如圖1.2(b)所示。國(guó)內(nèi)對(duì)激光誘導(dǎo)的沖擊波的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究開展較晚，中國(guó)科技大學(xué)激光研究所劉世偉、郭大浩等[26]利用PVDF測(cè)量了輸出能量10J、脈寬35ns的激光誘導(dǎo)沖擊波傳播過(guò)程。趙紅平等人[27]介紹了PVDF壓力傳感器的測(cè)試原理，并采用PVDF壓力傳感器測(cè)量了不同分層介質(zhì)中壓力波的衰減過(guò)程。李志勇等人[28-29]

東南大學(xué)博士學(xué)位論文4同樣利用PVDF壓電薄膜測(cè)量了約束模式下脈沖激光沖擊波在鋁靶中的傳播過(guò)程，沖擊波演化波形如圖1.3所示，測(cè)量結(jié)果顯示沖擊波的波形與激光的輸出波形相似，初始階段，兩個(gè)波形即為緊密，而當(dāng)激光能量達(dá)到峰值之后，可以看出激光沖擊波波形滯后于激光輸出波形，這表明激光沖擊波的衰減速率小于輸出激光能量的衰減速率，即激光沖擊波的持續(xù)時(shí)間大于輸出激光的脈沖寬度，測(cè)量結(jié)果證明沖擊波的持續(xù)時(shí)間約為脈寬的2倍，這與Peyre等人的測(cè)量結(jié)果相似，可以證明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。段志勇等人[30]研究了激光沖擊波壓力與約束層關(guān)系，研究結(jié)果表明激光沖擊波的峰值壓力隨著約束層聲阻抗的增大而逐漸增大。圖1.3激光沖擊波演化波形[28]Fig1.3Lasershockwaveevolutionwaveform[28]1.2.2激光沖擊波動(dòng)態(tài)傳播特性與規(guī)律激光沖擊波產(chǎn)生之后，由于約束層的存在，沖擊波向靶材內(nèi)部傳播，激光沖擊波的傳播過(guò)程將直接影響到作用效果，因而研究激光沖擊波傳播過(guò)程有助于探討殘余應(yīng)力場(chǎng)的形成機(jī)理，優(yōu)化工藝參數(shù)。自上世紀(jì)五十年代以來(lái)，經(jīng)典沖擊波的傳播理論研究就已日臻完善[31-32]。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了超高壓激光沖擊波的理論研究。1982年，Cottet[33-34]求解了沖擊壓力大于50GPa條件下沖擊波形成與衰減的解析式，具體解析式如下：2222(1)()[()][()]duDPPnCuDuDDuCDuCdPDxxx(1-4)在該模型中，Cottet將激光沖擊波壓力—時(shí)間簡(jiǎn)化為三角形，通過(guò)該模型，可對(duì)激光沖擊波的形成、傳播及衰減過(guò)程進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，Cottet進(jìn)一步研究激光沖擊波，驗(yàn)證了激光沖擊波的間斷性質(zhì)。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號(hào)：3475008