本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指激光沖擊金屬合金后，其塑性變形的理論模型及計(jì)算方法，特別適合于激光沖擊強(qiáng)化效果的無損檢測(cè)。

背景技術(shù)：

激光沖擊強(qiáng)化(LSP:Laser shock peening)是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。當(dāng)短脈沖(幾十納秒內(nèi))的高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時(shí)，金屬表面吸收層(涂覆層)吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓等離子體，該等離子體收到約束層的約束爆炸時(shí)產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留高幅壓應(yīng)力，顯著地提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能。

由于激光沖擊強(qiáng)化處理后的實(shí)際零件不可能進(jìn)行破壞性疲勞試驗(yàn)，因而，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)要在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用及推廣，必須具備激光沖擊強(qiáng)化效果的無損檢驗(yàn)手段。金屬材料在沖擊波高壓作用下發(fā)生塑性變形而形成沖擊強(qiáng)化區(qū)。其表面宏觀特征為表面產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和較高的表面硬度，若沖擊區(qū)的表面粗糙度越低，則沖擊效果越好，其內(nèi)部顯微特征是密集的位錯(cuò)及細(xì)化的晶粒。這幾個(gè)因素共同作用使金屬材料的疲勞壽命獲得大幅度的提高。激光沖擊區(qū)的表面質(zhì)量是這幾個(gè)因素的綜合反映，因此，可通過表面質(zhì)量的優(yōu)劣直觀地判別或檢驗(yàn)激光沖擊強(qiáng)化效果。

激光沖擊金屬合金會(huì)在其表面產(chǎn)生一定的深度的壓縮區(qū)，這在激光強(qiáng)化加工中經(jīng)常出現(xiàn)，因而塑性變形深度可以作為激光沖擊強(qiáng)化效果的判別依據(jù)之一，并且可以通過數(shù)值計(jì)算得到。B.S.Yilbas等人采用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)激光沖擊鋁合金塑性變形的深度，并用試驗(yàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證【Laser shock processing of aluminium:model and experimental study.Journal of Physics D:Applied Physics,2007,40:6740】，P.Peyre等人獲得了激光沖擊鋁合金的塑性變形深度和殘余應(yīng)力數(shù)值的計(jì)算公式，但是沒有考慮到激光沖擊在鋁合金表面形成材料表面壓縮【Laser shock processing of aluminium alloys.Application to high cycle fatigue behaviour.Materials Science and Engineering A,1996,210:102】。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種激光沖擊金屬合金塑性變形的理論模型及計(jì)算方法，為激光沖擊強(qiáng)化效果提供了一種無損檢驗(yàn)手段。

為解決以上問題，本發(fā)明主要利用應(yīng)變波控制方程、彈粘塑性本構(gòu)關(guān)系以及應(yīng)力波運(yùn)動(dòng)速度與材料運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，對(duì)激光沖擊鋁合金表面形成的塑性變形深度進(jìn)行理論計(jì)算和推導(dǎo)，得出激光沖擊金屬合金塑性變形深度的近似解析表達(dá)式，以及激光沖擊強(qiáng)化金屬合金過程中的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度、沖擊波峰值壓力、粘度系數(shù)、彈性模量與塑性變形深度之間的關(guān)系，采用的具體方案如下：

步驟一，根據(jù)激光誘導(dǎo)沖擊波的參數(shù)，為簡(jiǎn)化分析，可以認(rèn)為合金板材激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)是一維應(yīng)變波，沖擊波作用下合金靶材無限厚以及是彈性卸載過程。

步驟二，根據(jù)合金靶材的參數(shù)和激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)，通過以下公式計(jì)算合金靶材經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后表面塑性變形深度h_I：

其中，

X為合金靶材距沖擊表面的深度；

τ_m為應(yīng)力最大值的臨界的時(shí)間；

t₀為合金靶材開始屈服的時(shí)間；

c₀為彈性波速；

σ_Y為合金材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度；

E為合金材料的彈性模量；

η為合金材料的粘性系數(shù)；

X_m由σ(X,τ_m)＝σ_Y確定，

其中，參數(shù)參數(shù)

步驟三，測(cè)量激光沖擊強(qiáng)化塑性變形的實(shí)際深度。

步驟四，通過比較實(shí)際測(cè)量值和理論計(jì)算值，當(dāng)其誤差可判斷合金在具體的沖擊條件下達(dá)到預(yù)計(jì)的強(qiáng)化效果。

附圖說明

圖1是激光沖擊金屬合金塑性變形的理論模型及計(jì)算方法的步驟流程圖。

圖2是具體實(shí)施案例沖擊波峰值壓力對(duì)塑性變形深度影響曲線圖。

圖3是具體實(shí)施案例靶材粘性系數(shù)對(duì)塑性變形深度影響曲線圖。

圖4是具體實(shí)施案例靶材粘動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度對(duì)塑性變形深度影響曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不應(yīng)僅限于此實(shí)施案例：

本實(shí)施案例所采用的靶材為L(zhǎng)Y2鋁合金，其基本參數(shù)為E＝70GPa，c₀＝5.09 km/s，ρ₀＝2.7×10³kg/m³，粘性系數(shù)η＝6.25×10⁵kgs/m，沖擊波峰值壓力為3GPa，脈寬為34.5ns的三角壓力脈沖作為加載條件。

將上述參數(shù)代入步驟二中的公式得到塑性變形深度的理論計(jì)算值h_I＝8μm。

塑性變形深度的實(shí)際測(cè)量值h＝10～12μm。

由于數(shù)學(xué)建模過程中的提出的假設(shè)是為了簡(jiǎn)化分析的近似假設(shè)，存在一定誤差，所以根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，誤差小于50％時(shí)，達(dá)到激光沖擊強(qiáng)化效果。

圖4為靶材粘性系數(shù)對(duì)塑性變形深度的影響。從圖中可以看出，塑性變形深度隨粘性系數(shù)的增加而減小，而減小速度隨深度的增加逐步減小。說明粘性系數(shù)越大，材料的粘滯作用消耗的能量越多，而作用于材料塑性變形的能量則相應(yīng)減少。

動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度對(duì)塑性變形深度影響的關(guān)系曲線如圖4所示。由該曲線可知，塑性變形深度隨著屈服強(qiáng)度的增加而逐步減小，在屈服強(qiáng)度較小時(shí)，這種影響更為明顯。

因此，可得出結(jié)論：激光沖擊強(qiáng)化能夠在結(jié)構(gòu)金屬合金表面形成微米量級(jí)的塑性變形，其深度可以作為激光沖擊強(qiáng)化結(jié)構(gòu)金屬合金效果的有效判斷依據(jù)，實(shí)驗(yàn)和理論模型計(jì)算結(jié)果誤差不大，驗(yàn)證了理論模型。