面心立方金屬激光沖擊表面納晶化與微結構研究.pdf

1、激光沖擊技術是利用脈沖激光束輻照形成沖擊應力波,從而實現(xiàn)材料表面改性的一種全新的表面強化技術。激光沖擊超高應變速率下材料將會表現(xiàn)出許多與低應變率加載不同的顯微亞結構特征。為深入了解激光沖擊對材料微觀組織和性能的影響以及面心立方金屬在激光沖擊超高應變速率下納晶化和形變強化的機理,本論文利用輸出波長為1064nm、脈沖寬度為20ns、光斑直徑為3mm的調Q釹玻璃激光對純鋁、純鎳、純銅和2Cr13Mn9Ni4奧氏體不銹鋼進行表面沖擊強化處理。

2、采用熱場發(fā)射掃描電鏡和透射電鏡觀察并分析了沖擊后上述材料表面形貌、截面組織形貌、微觀組織結構,并進行了顯微硬度測試。通過表面形貌的觀察、微結構分析表征和力學性能測試,探討了激光沖擊面心立方金屬的表面晶粒納晶化機制和微結構演變機制,并對多次激光沖擊微觀結構的演變規(guī)律作了初步研究。
　　 研究結果表明:(1)激光單次沖擊后純鋁、純鎳、純銅和奧氏體不銹鋼沖擊中心表層局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了納米晶體結構,在納米晶粒周圍觀察到非晶組織。純鋁沖擊中心

3、局部區(qū)域觀察到細化并非均勻的組織,由等軸亞微米晶粒和強烈形變晶粒構成,這說明激光沖擊表面晶粒細化微觀上并非均勻。
　　 (2)激光單次沖擊后各材料表面均發(fā)現(xiàn)宏觀沖擊坑與微觀沖擊坑,沖擊中心表層截面區(qū)域無大范圍形變組織。激光單次沖擊純鋁誘發(fā)晶格畸變,誘發(fā)包括位錯圈、位錯胞、位錯墻以及復雜位錯網(wǎng)絡在內的大量微結構,晶粒內存在大量刃型位錯,還觀察到少量層錯。激光單次沖擊后純鎳大晶粒局部分化形成尺寸較小的亞晶,還發(fā)現(xiàn)有明顯的位錯胞狀組織

4、和形變孿晶組織。單次激光沖擊純銅誘發(fā)包括位錯圈、孔洞在內的空位簇缺陷,晶粒內發(fā)現(xiàn)位錯胞、形變孿晶以及外應力誘發(fā)的層錯等缺陷。單次激光沖擊奧氏體不銹鋼,缺陷組態(tài)轉變?yōu)楦呙芏葘渝e與形變孿晶相結合的形態(tài)特征。
　　 (3)激光沖擊強化的微觀機制應當分為激光沖擊誘導的晶粒細化機制與沖擊誘導的微結構演變機制兩個部分。激光沖擊誘導的晶粒細化機制應是自組織晶粒分化機制和絕熱剪切動態(tài)旋轉再結晶間競爭與綜合的過程。位錯滑移機制可以很好地解釋高應變

5、速率下中高層錯能金屬強烈塑性形變后微結構的演變,而對于中低層錯能金屬,形變孿生與層錯機制是一種有效地為滯留應變而發(fā)生的塑性形變方式。此外,空位簇機制也是激光沖擊強化的微觀機理之一。
　　 (4)激光三次沖擊后,純鋁、純銅和奧氏體不銹鋼樣品表面產(chǎn)生明顯的凹凸不平現(xiàn)象,多次沖擊將使變形組織往沖擊深度方向擴展。三次沖擊后純鋁位錯胞尺寸下降,大量位錯出現(xiàn)扭折、纏繞,遇到晶界或亞晶界的阻礙時發(fā)生位錯塞積現(xiàn)象。三次激光沖擊純銅晶界兩側觀察到