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背景简介

激光冲击强化（LSP）作为一种新兴的表面改性技术，能够提高金属部件的疲劳性能。LSP应用高能量激光束和合适的约束层、吸收层，以在待处理的机械零件表面产生高压冲击波，冲击波导致零件表面发生强烈的塑性变形，从而产生压缩残余应力。而准确测量压缩残余应力对于评估LSP过程的有效性至关重要。

本文开发了一种基于纳米压痕技术和有限元分析（FEA）的无损方法，用于测量LSP工艺在AA-7050-T451试样上产生的残余应力场。该方法基于对零件上残余应力产生的纳米压痕峰值载荷变化的分析，并将得到的结果与X射线衍射（XRD）技术测量的结果进行比较，两种技术的结果表现出良好的一致性，表明纳米压痕法是表征LSP诱导的残余应力的一种可靠方法。

成果介绍

（1）在测量等双轴残余应力的情况下，一般使用标准轴对称纳米压头尖端，即Berkovich尖端（图1a）。但这种尖端无法区分主残余应力分量的不同方向，改进的压头尖端（图1b）是通过对经典Berkovich尖端在一个方向上的伸长获得的，可以用于测量非等双轴残余应力。

图1 纳米压头尖端示意图：a) 经典Berkovich尖端；b) 改进的Berkovich尖端

（2）残余应力测量方法基于图2所示的原理。当指定最大穿透深度时，峰值载荷取决于残余应力的大小和符号。其中，用L_SF表示无应力条件下穿透试样所需的峰值载荷，L_LSP表示经过穿透LSP处理的样品获得的峰值载荷（图2）。可以观察到压缩残余应力增加了峰值载荷L_c，而拉伸残余应力产生的峰值载荷L_t低于无应力条件。此外，载荷变化ΔL依赖于残余应力的大小，如图2b所示。基于此，可以明确地定量等双轴残余应力与纳米压痕峰值载荷之间的关系，从而估计真实机械部件上的残余应力。此外，相对载荷差dL也可以由下式求得：

图2 残余应力对纳米压痕曲线的影响示意图：a) 残余应力符号的影响；b) 残余应力大小的影响

（3）图3显示了使用Berkovich压头获得的无应力样品（图3a）和经过LSP处理的样品（图3b）在不同最大穿透深度下的纳米压痕曲线。图3c显示了在不同最大穿透深度下，无应力和经过LSP处理的样品峰值载荷的比较。由于LSP诱导压缩残余应力，LSP处理样品的最大载荷大于无应力情况。图3d为不同最大穿透深度下的相对载荷差dL。结果表明，不同最大穿透深度之间差异不大，平均相对载荷差异接近9.4%。显然，经过LSP处理的样品中的残余应力值取决于深度。然而，在1000 nm至3500 nm的穿透深度范围内，峰值负载百分比变化略有变化，因此在这一区间的残余应力没有显著变化。

图3 a) 无应力试样纳米压痕曲线；b) LSP处理试样的纳米压痕曲线；c) 不同穿透深度下无应力试样和LSP处理试样的峰值荷载；d) 不同穿透深度下，经过LSP处理试样相对于无应力试样的相对载荷差

（4）图4和图5分别显示了使用经典Berkovich压头尖端和Berkovich压头尖端将无应力试样压痕至最大穿透深度2000 nm时的有限元模拟和实验纳米压痕曲线加载部分的对比。结果显示了数据之间良好的一致性，表明了所采用的有限元模型Mod-Berk-FEM方法的准确性。图6为放置在XRD衍射仪中的样品的图片，试验测试了0°、45°和90°方向残余应力以及点1和点2主残余应力的结果。0°和90°是试样对角线的方向，ϑ_XRD是相对于对角线的主方向的旋转角度。因此，利用纳米压痕法得到的ϑ可表示为：ϑ = ϑ_XRD - 45°。将XRD所得的残余应力值与本文所提出的方法所得的残余应力值进行比较，两者吻合较好。综上所述，纳米压痕技术与有限元分析相结合，可以准确测量LSP过程引起的等双轴残余应力，甚至可以测量任何样品中的任何双轴残余应力场。

图4 使用Berkovich压头对无应力样品在最大穿透深度为2000 nm时，通过有限元分析和实验得到的纳米压痕曲线的加载部分

图5 使用改进Berkovich压头的无应力试样和经过LSP处理的无应力试样在参考方向0°、45°、90°的峰值负载值

图6 将AA-7050-T451样品放置在XRD衍射仪上，点1和点2是测量残余应力的位置

致谢

纳米压痕实验在“MaTeRiA实验室”（ Calabria大学）进行。感谢‘‘Pon Ricerca e Competitività 2007/2013’’对本课题的资助。本文第一作者：A. Greco（University of Calabria）；通讯作者：E. Sgambitterra（University of Calabria）。

本期小编： 闵　琳（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）