冲击波金属材料论文范文

1实验

材料吸收激光能量发生一系列物理化学反应，产生一个高温高压的等离子吸收层，激光能量在等离子体吸收层被电子继续吸收转化为内能，同时等离子体迅速向周围空气膨胀，压缩周围空气，形成冲击波，作用于金属表面并向内传播对材料改性[8-12]。改变激光能量、光斑形状和脉宽可改变冲击波能量、压力分布和作用时间。在这个过程中，一个约束层(水，玻璃)施加于金属表面，可以更好提高约束等离子体向外膨胀，提高冲击波作用于金属表面压力，为保护金属材料不被激光直接烧蚀，吸收保护层贴于金属表面，通常为铝箔，黑漆和胶带。在该实验中，激光冲击参数为，能量3J，激光波长1064nm，脉宽10ns，圆光斑且直径3.4mm，此时功率密度3.3GW/cm2，单次冲击，水为约束层，铝箔为吸收保护层。选用的实验材料为TC4钛合金，是一种α+β两相高强度钛合金，具有高强度、高塑性、淬透性好和可焊接等优点，广泛用于制造飞机结构零件。TC4板材厚为3mm，在一些研究中，2mm以上厚度的板材可消除板材底面反射波影响。残余应力测试采用X射线衍射法，采用Proto-LXRD型X射线衍射仪进行残余应力测试，采用Ti靶，衍射面为(302)，测试执行标准为ASTME975-84。实验结果如图1所示。图1为靶材表面沿光斑径向的分布。光斑中心的残余压应力约为420MPa，峰值压力出现在离光斑中心1mm处，约为540MPa，说明在单次冲击中TC4钛合金残余应力场存在中心压应力缺失现象。

2仿真

激光诱导冲击波对金属材料强化主要由两个典型的过程组成：激光诱导等离子体爆轰波产生冲击压力；靶材在瞬态冲击压力作用下的动态响应。前者是等离子体产生与形成的复杂物理过程，后者是高速、高应变率的材料动态响应力学过程，也是文中研究重点。假设吸收层能够很好地保护工件不受任何热影响，则两个过程可看作相互独立，相互之间通过冲击压力联系。所以，仿真也可分为两部分加以考虑：(1)激光诱导等离子体爆轰波压力的计算；(2)靶材动态响应仿真模型的建立。通过改变激光冲击参数，调整为不同的冲击波加载方式，采用显示动力学有限元算法对冲击波作用过程仿真，得到不同形式冲击波加载对“残余应力洞”的产生过程和分布规律，同时与实验结果验证，以其得到不同冲击波的影响机制。

2.1激光诱导等离子体爆轰波压力的计算冲击波是材料塑性变形的直接因素，激光凝聚加热靶物质，引起靶中的热应力、熔融、汽化和烧蚀，靶蒸气等离子体吸收入射激光，其膨胀运动的反冲引起冲量、应力波甚至很强的冲击波，法国Fabbro[13]对该过程提出的冲击波模型为。时空分布特性，在得到对应的爆轰波压力后同时对脉冲激光的时间分布特征一般通过脉冲宽度来衡量。脉冲宽度τ(以下简称脉宽，FWHM)是指半功率点之间的时间间隔。根据Fabbro[13]等人的研究结果，激光诱导等离子体爆轰波的作用时间大约为激光脉宽的2～3倍，甚至更长。根据激光脉宽作用时间内以及激光作用结束后的变化规律，对靶面受到的压力-时间历程曲线进行简化，如图2(a)所示。激光诱导爆轰波压力呈高斯分布的因素加以考虑，如图2(b)所示。

2.2TC4钛合金动态响应模型J-C模型是最为常用的反应材料动态性能的本构模型[14]，J-C模型的公式是基于实验得到的，流动应力表示为。式中：ε表示塑性应变；ε*=ε/ε0是无量纲塑性应变率；T*=(T-T0)/(Tm-T0)为无量纲温度；T0为室温；Tm为材料熔点；常数A、B和n反映了材料的应变硬化特征；C反映应变率对材料性能的影响；m反映温度软化效应。综合考虑实现的难易程度和实用性，在激光冲击处理过程中，由于靶材表面的吸收层(通常为铝箔)保护材料不受热作用，即认为激光冲击是单纯的力效应，忽略其热效应，并且根据其是中等冲击强度而忽略冲击引起的温度效应，于是就可以将J-。

2.3求解参数(1)时间步长及单元尺寸在文中，设定时间步长为0.2，此时获得的步长可获得较光滑的压力曲线，与实际情况吻合较好。在单元尺寸的选取中，对于冲击区域内部，采用0.05mm尺寸，而对于冲击区域外的部分，采用0.2mm尺寸。这样设计在保证不影响计算精度的同时，极大缩短了计算时间。(2)动态振荡的阻尼在真实的激光冲击强化过程中，应力波在靶材内部的传播会因为塑性应变中的耗散和体积粘滞性的影响而逐渐衰弱。在数值计算中，为了尽量反映真实情况，会在模型中加入阻尼，以限制模型的非真实振荡。加入的阻尼主要为体粘性和材料阻尼两种方式。体粘性，采用默认的体粘性系数BV1。材料阻尼，最佳的阻尼值应取模型第一阶固有频率的两倍。模型的固有频率可以在ANSYS隐式程序中通过模态分析得到。

3结果和讨论

冲击波与材料相互作用后，最终在材料中形成稳定残余应力场。通过改变激光功率密度，脉宽和光斑形状可调整冲击波压力，作用时间和加载区域，不同冲击波加载下，金属材料响应结果也有所不同。

3.1冲击波加载形状的影响冲击波加载形状可由激光光斑形状调整。激光光斑有圆形、方形两种。两种光斑的区别不仅在于形状的差别，诱导的冲击波也有区别，对应到数值仿真中，则考虑成加载区域和能量压力加载的区别。圆形光斑前文已有介绍，此处只分析方形光斑。对于方形光斑的情况，美国2001年的高周疲劳科学技术计划，已有研究。具体做法是通过在激光束前加入适当的棱镜组，以改变光斑的输出形状，使之成为方形。并且通过调整后输出的方形光斑，其内部的能量近似均匀分布，仅在光斑的边缘处才会呈现陡峭的减小(见图3)。所以，在仿真建模中对于方形光斑的加载情况，可以将光斑内的爆轰波压力分布简化为均匀分布。时间分布特性依旧采用图5中时间特性。选用激光脉宽为10ns，功率密度为4.2GW/cm2的激光冲击参数做圆形、方形两种光斑形状的对比分析。此处参数与文中实验所采用功率密度相近。加载方式如图4所示。两种加载方式仿真结果表明，在被冲击的上表面会产生残余压应力，出现了残余压应力洞现象。在圆形加载中，加载区域中心处残余压应力值为172MPa，峰值出现在离中心区域约0.6mm处，值为626MPa，在光斑的边缘处为316MPa，离光斑中心5mm处残余应力值降到0MPa左右，模拟结果和文中实验结果在趋势上是一致，说明仿真结果具有合理性。方形加载中表面的最大压应力约为650MPa，与圆形光斑情况相当，而光斑中心的残余压应力约为460MPa，从中心到表层残余压应力变化梯度较小，一定程度上改善了中心压应力缺失现象。由文中分析可知，激光诱导冲击波加载为局部加载，材料表面光斑中心处的微元在表面卸载波的作用下发生反向塑性加载，导致了中心压应力的缺失。在表面选取距离光斑中心最近的节点，并读取零到1000ns时间历程中的径向速度进行分析，如图6所示。由图可看出，冲击波圆形加载下的最大反向速度为12.6m/s，而方形加载的最大反向速度为5.2m/s。方形光斑的表面稀疏波速度较慢，强度较弱，从而"残余应力洞"现象不会如圆形加载下严重。分析原因认为，圆形加载中边界的任意一点都关于圆心对称，从而冲击载荷边界产生的稀疏波将会完全向光斑中心汇聚，因而稀疏波的强度较大；而方形加载下冲击载荷边界不具有圆心对称的特性，产生的稀疏波向中心汇聚的过程中一部分会相互抵消掉，从而表面稀疏波强度相对较弱。

3.2激光脉宽的影响激光脉冲持续时间变化后，爆轰波压力的作用时间也就随之改变。一般规律为激光脉冲越大，冲击波持续时间也越长。加载结束后，中心节点的残余应力和最大的反向速度如图7所示，15ns和20ns时的稀疏波速度相当，约为14.9m/s，脉宽为10ns的较弱为12.6m/s，在最后稳定的残余应力场中，加载中心单元的压应力缺失现象以10ns表现最弱，15ns、20ns时较严重。在不改变激光能量下，延长冲击波作用时间会加剧“残余应力洞”现象。

3.3功率密度的影响按照Fabbro模型计算不同激光功率密度下对应的冲击波压力，进行单次圆形光斑加载。不同功率密度下，靶材表面径向残余应力分布如图8所示。分析可得，表面残余压应力峰值随着功率密度增加而变大，功率密度为3.2GW/cm2时，在表面形成的峰值残余压应力为607MPa，中心残余压应力值为170MPa，变化梯度为72%；而当功率密度增加到4.2GW/cm2时，峰值残余压应力增加至780MPa，而中心残余压应力值为165MPa，变化梯度为79%；当功率密度再增加到6.0GW/cm2时，表面峰值残余应力基本没有变化，而此时中心残余应力为136MPa，变化梯度为83%。随着功率密度增加，残余应力变化梯度也随之增加，残余应力洞表现更加明显。分析原因认为，冲击波压力的增加，导致卸载时表面稀疏强度增加，形成的反向塑性变形量大，致使残余压应力变化梯度增加。

4结论

文中对激光诱导冲击波加载金属材料中心压应力缺失现象进行了相关研究，结果表明：(1)“残余应力洞”现象发生在冲击波卸载反向加载过程，具体原理为在一个激光脉冲消失后，激光诱导等离子体爆轰波冲击下发生塑性应变的部分受到周围未变形的部分的限制，而发生的反向的塑性变形，在TC4钛合金激光诱导冲击波改性的实验中，也观察到这一现象。(2)通过改变冲击波压力、作用时间和光斑形状研究不同加载条件下冲击波对中心压应力缺失的影响。方形光斑的边界受到约束产生的稀疏波向光斑中心汇聚时会有一部分相互抵消，中心压应力缺失效应比圆形光斑弱；增大冲击波压力和延长冲击波加载时间会增强表面稀疏波，中心节点的反向速度会增加到某一量值，会增大中心压应力缺失效应。

作者：王波陈东林周留成何卫锋单位：空军工程大学航空航天工程学院