激光冲击2024铝合金诱导动态应力应变实验研究

Tests for dynamic stress-strain of 2024 aluminum alloy induced by laser shockingFENG Ai-xin -，HAN Zhen-chun ，NIE Gui-feng ，XUE Wei ，LI Bin ，SHI Fen ，LU Yi(1.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China；3.CSR Zhuzhou Electric Motor Company Limited，Zhuzhou 412001，China)Abstract： In order to study the properties of metal materialS dynamic stress-strain induced by laser shock waveloading，a 2024 aluminum aloy sheet was shocked by a high power laser，STSS-1 stress testing module was applied tocollect the dynamic strain signals on the back of the target sheet during laser shock.The relative dynamic stress wascalculated by using Johnson.Cook constitutive mode1 and the residual stress was measured with XRD technique.Theresults indicated that the plastic stress wave intensity induced by laser shock wave is much larger than the induced elasticstress wave intensity，the material is mainly in a plastic deformation stage；the stress wave strength on the targets backin.creases with decrease in the thickness of the target material；the intensity of the reflected wave generated by the stresswave is enhanced on the metal/air interface of the targetS back；the yield strength of 2024 aluminum alloy is about392MPa in tests。

Key words：laser shock wave；dynamic stress-strain；2024 aluminum aloy激光冲击处理(Laser Shock Processing，LSP)是-种新型的材料表面改性技术，其原理是用激光诱导等离子体爆炸产生冲击波的力学效应进行材料表面强化。能有效改善材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能。强激光加载下金属材料的力学行为已成为-个重要的研究课题 。

激光冲击处理涉及激光与材料的相互作用、等离子体冲击波的传播及对材料的加载机制、微观动态塑基金项 目：国家 自然科学基金 (51175237)；中国博士后基金项 目(20100481096)；江苏省博士后基金项 目(1002029C)；江苏大学高级人才启动基金项目(09JDG090)；江苏拾六大人才高峰”A类项目；江苏省企业博士集聚计划项目；江苏大学拔尖人才培养工程”优秀青年学术骨干培养对象课题资助收稿日期：2012-06-26 修改稿收到日期：2012-08-2l第-作者 冯爱新 男，博士，教授，1970年 8月生通讯作者 韩振春 男，硕士生，1987年 1月生性变形机制等相关学科 J，目前关于激光冲击波加载材料动态力学性能的研究主要采用样品回收和介观结构分析相结合的方法 。但这些特征是静态过程中观察到的，关于激光冲击过程的动态响应特性研究报道较少，未实现对激光冲击波诱导靶材动态响应过程的研究。

本文采用强激光器对2024铝合金进行单次冲击，测量激光冲击波诱导靶材的动态应力应变。不仅研究了激光冲击波在 2024铝合金卞内的作用规律以及材料的弹塑性变形，同时也为预绚光冲击参数、质量预测及无损检测提供理论依据。

1 试验原理1.1 主应变计算公式在平面应变状态分析中的 、 、 相当于二向应第14期 冯爱新等：激光冲击2024铝合金诱导动态应力应变实验研究力中的 、 、 ，而平面应变状态分析中的孚、 相当于二向应力中的7- 丁 。由于这种相似关系，在二向应力中导出的结论在平面应变状态中必然也可以得到 。所以主应变方向的公式如下：tan(2 -忐 (1)最大和最小主应变的公式如下： ，2 ±- - - - - - - - - - --- - - - - - - - - - - 2-(2)在Odo所确定的截面上，应变值为最大值或者最小值 ，0O 是最大应变， 是最小应变。

任意方向上的线应变计算公式如下： 卑 0ox- 'yCOS- in0O 2a s(2a)(3) -- - -- ～ 同样在求-点的主应变时，首先要求得-点处的三个应变分量 、 、 用应变仪直接测定应变时，切应变 Yxy不易测定 ，所以-般是先测出在三个选定方向的线应变0O 0O 8a3然后代入式(3)求解三个应变分量0O 、0O 、y ，进-步求得主应变和主应变方向。

其等效应变 0O 的表达式如下： 2(4)1.2 Johnson-Cook动态本构模型Johnson-Cook动态本构模型由Johnson等Ⅲ 提出的针对金属材料在大应变、高应变率下的动态本构模型，其模型形式简单、物理意义清晰、易于添加修正项，Johnson·Cook模型的表达式如下 ： [A ][1Clnb ][1-T ] (5)杏 (6)80～ (7) /式中：or为等效应力， 为等效塑性应变，A、B、C为材料强度相关系数， 为无量纲化应变率变量，童。为参考应变率，T 为无量纲化温度变量， 为材料熔点， 为室内温度，T为试件内部温度，m为温度软化指数， 为应变硬化指数。

2 实验材料及方法实验采用工业中广泛使用的2024铝合金，其具体化学成分(质量分数：%)：Si 0.5，Fe 0.5，Cu 3.5-4.9. Mn0.3-0.9，Mg 1.2-1.8，Zn 0.25，Ti 0.15，Cr 0.10.fTiZr)0.20，A1余量。

试样尺寸为60 mlTl×50 mm×3 mm。激光冲击处理前用砂纸、砂布将两件靶材分别磨至 1.3，1.7 mm厚，用乙醇清洗、冷风吹干。在靶材背面贴 3个应变片(分别标记为 a，b，c)，三个应变片距坐标原点 O的距离均为 3 mm，如图 1所示。

激光冲击在 Gaia-R Nb：YAG激光器上进行。激光脉冲参数：10 J，波长 1 064 nfl，脉冲宽度 10 ns，光斑直径 6 mm，激光功率密度3.5×109 W/cm ；选取k9玻璃为约束层，0.1 mm厚的铝箔作保护涂层。

采用 STSS-1应力检测拈采集激光冲击过程中电阻应变片的动态应变信号。STSS-1应力检测拈的最高输出频率为 1 200 Hz，应变分辨率为 0.5×l0～，量程为 ±30 000×1O-，应 变 误 差 小 于0.01%。激光冲击强化是利用激光诱导等离子体冲击波的力学效应，故靶材背面的应变片不受激光热效应的影响。

采用 X-350型 xV鳓 c0譬 2 (Cr， 图 应变片粘贴位置 测量靶材光斑中心的残与x 0余应 力。管 电压 20.0 Fig. 1 The p。siti。ns。f pasting strainkV，管电流5.0 mA，准直 gauges and stres measured管直径0.1。，时间常数 by XRD after 1aser shocking1 s，扫描起始角及终止角为 134。-143。。侧倾角为 10。，25。，350 945。。2024铝合金测试面(31)晶面，应力常数K -162 MPa/deg。

表 1激光冲击过程中靶材背面的应变值Tab.1 The strain value on the back of-s-amples after laser shocking振 动 与 冲 击 2013年第 32卷3 实验结果与分析3.1 动态应变曲线表 1是 STSS-1应力检测拈采集的激光冲击过程中不同厚度靶材背面应变值。

将表 1的应变值代人式(2)、(3)、(4)求解不同厚度靶材应变片轴线交点的最大主应变值、最小主应变值和等效应变值，示于图2。

邑- ×- - ×图2 不同厚度靶材背面应变片轴线交点的动态应变-时间曲线Fig.2 Curves of dynamic strain-time at the axisesintersection of strain gauge on the backof the target sheets with diferent thickness图2是激光冲击波作用过程中不同厚度靶材背面三个应变片轴线交点的动态应变 -时间曲线。由图2可以看出，激光诱导的冲击波和约束层对冲击波的反射波作用于靶材表面时，在靶材背面产生的动态主应变具有不同强度变化规律。靶材厚度为 1.3 mln时，等效应变出现三个应变波峰值，而靶材厚度为 1.7 mm时，出现两个应变波峰值，且前者主应变值远大于后者。

结合冲击动力学的相关理论，以图2(a)、(b)中等效应变曲线为例详细分析激光冲击波在靶材内部的传播规律。激光冲击处理时，冲击波在靶材表面诱导纵向传播的弹性前驱波和紧随的塑性加载波，前者波速大于后者，先到达靶材背面，弹性前驱波的动能转变为材料 的弹性变形能。出现第-个 弹性应变波峰值330.53×10 (A点)。靶材厚度增加 0.4 mm，弹性应变波峰值 由 点 的 330.53×10 减 小到 G点 的78.97×10～，弹性前驱波的强度明显降低。此时，从坐标原点 O到A、G，材料均处于弹性变形阶段。

弹性前驱波到达靶材背面后，在靶材背面的金属/空气界面反射为弹性拉伸波，使材料处于卸载阶段，产生弹性应变波谷 B(280.6×10 )、，(58.21×10 )。

此弹性拉伸波在向冲击面传播的过程中，与塑性加载波相遇，并发生迎面卸载作用，导致塑性加载波削弱为弹塑性应力波，此应力波继续向靶材背面传播，到达靶材背面时材料被重新加载，出现了第二个应变波峰值C(468.16×10 )、.，(157.9×10 )，分别是第-个应变波峰值的1.67、2.71倍，材料处于弹塑性变形阶段。

靶材厚度为 1.3 mm时，冲击光斑中心的残余拉应力值为87 MPa，靶材厚度为 1.7 mm时，冲击光斑中心的残余压应力值为-24 MPa。比较此残余应力值，发现靶材厚度为 1.3 mil时，上述弹塑性加载波在靶材背面的金属/空气界面反射为弹塑性拉伸波，并向冲击面传播，到达冲击面后削弱冲击区域的残余压应力值。

在整个激光冲击作用过程中，冲击波在靶材内经历了增压、维持、衰减，三个阶段，EF与JK段峰值逐渐衰减的动态应力波是后续的应力波加载、卸载过程作用的结果。厚为 1.7mm靶材的动态应变曲线 比厚为1.3 mm靶材多出现了-个应变波峰值 D，这是由于弱冲击波及约束层对冲击波反射波的强度及传播距离小于激光冲击波。

3.2 动态应力曲线激光冲击过程中材料处于弹塑性变形，其中弹性变形阶段的应力可用胡克定律求解，塑性变形阶段的应力用Johnson-Cook动态本构模型求解。2024铝合金的 Johnson Cook模型参数及机械性能如表 2所示。

表2 2024铝合金的Johnson.Cook模型参数Tab.2 Johnson-Cook material constantsof 2024 aluminum alloy[]激光冲击波在金属靶内传播是热力耦合作用，金属靶的塑l生变形将转化为热，温度的升高对材料有热软化作用，同时也存在应变率效应，材料的应变率高达 107s1，取参考应变率 10 。实验过程中测量的应变-时间曲线是靶材背面的，材料的塑性变形较小，作用时间短，不考虑温升的影响～表 2中的参数代入式(5)得到2024铝合金的Johnson-Cook模型表达式为：or[369684e ][10.008 31n(10 )] (8)将计算结果用等效应力-时间曲线表示，如图3所示。由此看出，激光冲击波在两种厚度靶材(1.3 toni、第 14期 冯爱新等：激光冲击2024铝合金诱导动态应力应变实验研究 2031.7 nMil)背面产生的等效应力 -时间曲线都分为两个部分：弹性变形(OP和 OR)和塑性变形(PQ和 RQ)。

图3 应变片轴线交点的等效应力-时间曲线Fig.3 Equivalent stress-time curves ofthe intersection of strain gauge axises比较弹性变形(OP和 OR)发现，靶材厚度为 1.3Film时，材料的弹性变形时间长，弹性应力最大值为22.77 MPa，而靶材厚度为 1.7 miD时，材料的弹性变形时间短，弹性应力最大值为5.44 MPa。这说明弹性应力波衰减较快，随着靶材厚度增加，弹性应力波强度减弱，作用时间短。

比较塑性变形(PQ和 RQ)发现，冲击波作用时间内材料主要处于塑性变形阶段。靶材厚度为 1.3 mm时，最大等效应力值为 392.97 MPa，而靶材厚度为 1.7mm时，最大等效应力值为391.37 MPa。靶材厚度之差为0.4 mln，而最大等效应力值之差为1.6 MPa。分析认为，到达靶材背面的冲击波强度大于材料屈服强度，材料处于屈服阶段，因此在激光冲击波作用过程中材料等效应变迅速增加而等效应力值基本不变，这也表明实验使用的2024铝合金屈服强度在392 MPa左右。

4 展 望由于实验条件的限制，本试验采用应变片法与STSS-1应力应变检测拈对激光冲击诱导下材料动态应变做了初步的研究，并分析了激光诱导产生的冲击波在材料内部传播特性。但激光冲击波作用靶材的时间较短，靶材的自身响应频率低，应变率和激光冲击波的高应 变率不 匹配。同时，可 能 由于应 变片 与STSS-1应力应变检测拈存在着响应迟滞 ，导致实验所得靶材背面的动态响应时间发生展宽现象。下-步工作是采用高应变率测试元件与高数据采集率的检测设备，对激光冲击下动态响应作进-步的实验研究并与此法进行验证，深入的研究激光冲击波诱导下的瞬时动态响应。

5 结 论(1)实验得到的动态应变曲线有-个共同特征：第二应变波峰值大于第-个应变波峰值，前者是由塑性应力波引起的，后者是由弹性应力波引起的，塑性应力波强度远大于弹性应力波强度。

(2)随着靶材厚度减小，靶材背面应力波强度增加，此应力波在靶材背面金属/空气界面的反射波强度增强。

(3)激光冲击波到达靶材背面后，其强度大于材料屈服强度时，材料先产生弹性变形，后产生塑性变形，且材料主要处于塑性变形。

(4)实验过程中，两种不同厚度靶材的动态应力曲线到达 392 MPa后，动态应力不再变化，这说明实验使用的2024铝合金屈服强度在392 MPa左右。