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)域周圍材料的反作用，使材料表面獲得高的殘余壓應(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。