激光沖擊強(qiáng)化(LaserShockingPeening,LSP)技術(shù)，不同于激光熔覆、激光合金化等伴隨著高溫熔化與凝固熱過(guò)程的表面改性方法，是一種利用強(qiáng)脈沖激光誘導(dǎo)的等離子爆轟波對(duì)金屬材料表面實(shí)施超高應(yīng)變速率變形的冷加工強(qiáng)化技術(shù)。當(dāng)高功率密度、短脈沖的激光通過(guò)透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并形成大量稠密的高溫、高壓等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面，使材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力；激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周?chē)牧系姆醋饔茫共牧媳砻娅@得高的殘余壓應(yīng)力。這種殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，并產(chǎn)生裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效提高材料的強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)適用于鋼鐵和鈦合金、鋁合金等多種材料，在航空和先進(jìn)制造領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
科研人員對(duì)用等通道轉(zhuǎn)角擠壓獲得的超細(xì)晶粒高碳鋼進(jìn)行了激光沖擊處理，進(jìn)一步提高了材料性能。他們用的材料為商用Fe-0.8C鋼，經(jīng)過(guò)4道次等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形；激光沖擊處理用的激光光斑直徑為3mm,激光波長(zhǎng)為1064nm,脈寬為10ns,重復(fù)頻率為1H，激光脈沖能量為6J,搭接率為50%。將厚度為0.1mm的鋁箔粘貼在試樣的拋光面,作為激光能量的吸收層,用流水作為激光沖擊時(shí)的約束層,流水厚度控制在1~2mm。在試樣背面涂一層硅油作為吸波層,以防止沖擊波從試樣背面反射回去，形成拉力波而對(duì)試樣造成破壞。
對(duì)處理后的試樣進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)由于激光誘導(dǎo)沖擊波加載作用于高碳鋼超細(xì)晶粒復(fù)相組織,使鐵素體基體內(nèi)萌生出大量位錯(cuò),形成了數(shù)量眾多的位錯(cuò)纏結(jié),伴隨著應(yīng)變的持續(xù)作用,位錯(cuò)纏結(jié)程度加劇形成位錯(cuò)胞,在動(dòng)態(tài)回復(fù)的作用下演化為亞晶晶界,形成了明顯的亞晶結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致鐵素體基體顯著細(xì)化。其中等軸鐵素體晶粒直徑由變形前的400nm進(jìn)一步細(xì)化至200nm左右。
力學(xué)試驗(yàn)表明，該超細(xì)晶粒高碳鋼的抗拉強(qiáng)度和延伸率均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),其中抗拉強(qiáng)度從810MPa增至871MPa,屈服強(qiáng)度從662MPa增至685MPa左右;與此同時(shí)，延伸率從18%增至20%。其主要原因在于,激光沖擊處理使沖擊區(qū)域形成了很高的殘余壓應(yīng)力。該壓應(yīng)力層抑制了拉伸形變過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋的擴(kuò)展,同時(shí)降低了裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。
檢測(cè)還表明，激光沖擊處理后在高碳鋼組織內(nèi)部形成了梯度結(jié)構(gòu),從試樣內(nèi)部到?jīng)_擊表面，顯微組織從位錯(cuò)密度增大(內(nèi)部)到位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)墻(次表層),乃至最后演變成亞晶和超細(xì)化晶粒(外表層)。相應(yīng)地，試樣表面硬度值明顯增加。沖擊區(qū)域的硬度明顯比基體高,越靠近沖擊中心區(qū)域,其硬度值增幅越明顯，從處理前296HV增至沖擊中心區(qū)域的376HV。