激光冲击技术进一步提高超细晶粒高碳钢性能

激光冲击强化(Laser Shocking Peening,LSP)技术，不同于激光熔覆、激光合金化等伴随着高温熔化与凝固热过程的表面改性方法，是一种利用强脉冲激光诱导的等离子爆轰波对金属材料表面实施超高应变速率变形的冷加工强化技术。当高功率密度、短脉冲的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并形成大量稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面，使材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力；激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，使材料表面获得高的残余压应力。这种残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，并产生裂纹的闭合效应，从而有效提高材料的强度、耐磨性和疲劳寿命。激光冲击强化技术适用于钢铁和钛合金、铝合金等多种材料，在航空和先进制造领域显示出广阔的应用前景。 eu^z&R!um  
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河南科技大学对用等通道转角挤压获得的超细晶粒高碳钢进行了激光冲击处理，进一步提高了材料性能。他们用的材料为商用Fe-0.8C钢，经过4道次等通道转角挤压变形；激光冲击处理用的激光光斑直径为3mm,激光波长为1064nm,脉宽为10ns,重复频率为1H，激光脉冲能量为6J,搭接率为50%。将厚度为0.1mm的铝箔粘贴在试样的抛光面,作为激光能量的吸收层,用流水作为激光冲击时的约束层,流水厚度控制在1~2mm。在试样背面涂一层硅油作为吸波层,以防止冲击波从试样背面反射回去，形成拉力波而对试样造成破坏。 .CQ IN]iD  
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对处理后的试样进行检测分析，发现由于激光诱导冲击波加载作用于高碳钢超细晶粒复相组织,使铁素体基体内萌生出大量位错,形成了数量众多的位错缠结,伴随着应变的持续作用,位错缠结程度加剧形成位错胞,在动态回复的作用下演化为亚晶晶界,形成了明显的亚晶结构,从而导致铁素体基体显著细化。其中等轴铁素体晶粒直径由变形前的400nm进一步细化至200nm左右。 (`!?p ^>A  
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力学试验表明，该超细晶粒高碳钢的抗拉强度和延伸率均呈现增大趋势,其中抗拉强度从810MPa增至871MPa,屈服强度从662MPa增至685MPa左右;与此同时，延伸率从18%增至20%。其主要原因在于,激光冲击处理使冲击区域形成了很高的残余压应力。该压应力层抑制了拉伸形变过程中产生的裂纹的扩展,同时降低了裂纹扩展的有效驱动力。 lwQI 9U[O2  
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检测还表明，激光冲击处理后在高碳钢组织内部形成了梯度结构,从试样内部到冲击表面，显微组织从位错密度增大(内部)到位错缠结和位错墙(次表层),乃至最后演变成亚晶和超细化晶粒(外表层)。相应地，试样表面硬度值明显增加。冲击区域的硬度明显比基体高,越靠近冲击中心区域,其硬度值增幅越明显，从处理前296HV增至冲击中心区域的376HV。