第1章 概述
　　1.1激光诱导冲击波的基本原理
　　1.1.1高功率激光与物质的相互作用
　　1. 激光辐照效应
　　高功率激光与物质的相互作用是一个瞬态且复杂的物理过程，包括激光对物质的热作用，物质对激光的吸收、反射和激光在物质中的传播等。激光与物质的相互作用机制比较复杂，主要包括韧致吸收、光电离、多光子吸收、空穴吸收和杂质吸收等多种类型 [1]。
　　激光与物质相互作用的影响因素主要包括波长、能量、脉宽、功率密度等激光参数，物质的材料特性、状态参量、表面粗糙度和外界环境等。物质对激光的吸收取决于物质本身的特性、材料表面的状态和几何状态。被吸收的激光可以造成物质的温升、熔融、气化和电离 [2]，形成的电离气态的蒸汽和等离子体可以进一步吸收激光，在物质与激光之间造成屏蔽效应 [3]。
　　高功率激光与物质的相互作用过程是从入射激光被物质反射和吸收开始的，当激光辐照在靶材表面时，部分激光能量被周围气体和靶材表面散射或反射，进入靶材表面的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透靶物质继续传播，具体过程依赖于激光参数(如波长、能量和脉宽等 )、材料特性和环境条件等 [4]，如图 1.1所示。
　　图 1.1高功率激光与物质的相互作用过程
　　高功率激光束入射靶材表面后，靶材表面吸收大量激光能量，引起材料的温升、熔融、气化、电离等现象。具体的物理过程主要取决于激光的功率密度，一般按照激光功率密度的高低可分为四类 [5]，具体见表 1.1。
　　表1.1激光功率密度与物理现象对应关系
　　从表 1.1中可以看出，在不同的功率密度范围内，激光与物质的相互作用会发生截然不同的物理过程及现象，当激光功率密度在 103～104W/cm2，材料表面吸收激光后主要表现为加热温升，属于热效应；当激光功率密度在 104～ 106W/cm2，同样属于热效应，只是温升效果达到材料熔点，表现为材料熔融；当激光功率密度在 106～108W/cm2，材料在剧烈温升下发生气化；当激光功率密度在 108～1010W/cm2，材料在高温下直接发生电离，产生大量高温、高压的等离子体 [6]。
　　2. 激光辐照形成等离子体
　　高功率、短脉冲激光辐照材料会发生电离而形成大量等离子体，等离子体是激光诱导冲击波的能量载体。等离子体是物质的一种基本形态，是固、液、气之外的物质第四态。等离子体是由带电的正粒子、负粒子组成的集合体，包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等，是一种呈中性的电离态气体；在空间和时间上需满足一定条件，即其粒子密度和能量分布需在质量和能量特定范围内才能达到等离子体自持稳态的时空矢量场。等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。因此，粒子密度和粒子温度是它的两个基本参量，其他参量大多与密度和温度有关 [7]。
　　高功率激光辐照各种气体、液体或固体等靶材后，使部分靶材转变为等离子体状态的主要机制如下。
　　(1)热电离：高温下热运动速度很大的原子相互碰撞，使其电子处于激发态，其中一部分电子的能量超过电离势而使原子发生电离。
　　(2)碰撞电离：气体中的带电粒子在电场作用下加速并与中性原子碰撞，发生能量交换，使原子中的电子获得足够能量而发生电离。
　　(3)光电离：原子中的电子受到激光照射时，由于光电效应或多光子效应吸收足够的光子能量而发生电离 [8]。
　　在激光冲击强化和激光冲击波结合力检测技术中，通常使用铝箔或黑胶胶带作为吸收保护层，用来吸收激光、发生电离，其主要为光电离和热电离。
　　1.1.2激光诱导冲击波的形成过程
　　当高功率、短脉冲激光辐照靶材表面，靶材表面电离形成大量等离子体，等离子体对激光继续进行强烈吸收，形成一个激光强吸收区。被吸收的激光能量转化为该区气体(或等离子体)的内能，按照流体动力学的规律运动，这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动，通常称为激光维持吸收波 (laser supported absorption wave，LSAW)。在激光维持吸收波中，高振幅区的波阵面比低振幅区的波阵面传播得更快，所以扰动波阵面在穿过物质时会变得“陡峭”，这就形成了冲击波。冲击波可简单地定义为压力、温度 (内能)和密度存在间断的波 [9]。
　　根据冲击波相对于气体 (蒸汽和环境气体 )是以亚声速还是以超声速传播，可以分为两类：以亚声速传播的 LSAW称为激光维持燃烧波 (laser supported combustion wave，LSCW/LSC)；以超声速传播的 LSAW称为激光维持爆轰波 (laser supported detonation wave，LSDW/LSD)(图 1.2)。LSC或 LSD现象，与不同的激光功率密度范围相对应。靶材表面气化较强时，靶材蒸汽部分电离、温升，进而通过热辐射使前方冷空气也发生温升和电离，形成 LSC；这时仍有部分激光通过等离子体区入射到靶材表面，靶材附近等离子体的辐射有助于增强激光与靶材的热耦合，这种耦合随着等离子体的离去而削弱，并逐渐形成对靶材的屏蔽。随着激光功率密度增大， LSC吸收区运动加快，吸收加强，直到与前方冲击波汇合，形成 LSD，这时构成对激光的完全吸收； LSD后流场压力的升高，增强了激光与靶材的冲量耦合，随着侧向稀疏波传到中央光斑部位，流场压力衰减，使冲量耦合受到削弱。
　　图 1.2 LSC和 LSD结构示意图
　　LSD点燃的机理有两种：一种是 LSC加速转变；另一种是激光开始时环境气体的直接点火。在激光功率密度很高的情况下，金属靶材蒸汽中可能出现 LSD， LSD点燃与激光波长、环境气体的性质及压力有较明显的关系，对靶材性质的依赖关系较弱 [10]。
　　1.2激光诱导冲击波的应用技术
　　1.2.1激光冲击强化技术的原理及特点
　　激光冲击强化 (laser shock peening，LSP)是一种新型表面强化技术，其基本原理：当高功率 (吉瓦每平方厘米量级 )、短脉冲 (纳秒量级)激光辐照金属材料表面，表面涂覆的吸收保护层 (铝箔、黑色胶带、黑漆等 )迅速吸收激光能量后形成稠密的高温、高压等离子体；等离子体继续吸收激光能量后向外膨胀，形成高压冲击波(吉帕量级)，并在约束层 (水、玻璃等 )约束下向材料内部传播；当冲击波压力超过金属材料的动态屈服强度 [11]，材料发生塑性变形，如图 1.3所示。因此，激光冲击强化是利用激光诱导冲击波的力学效应使金属材料表层发生塑性变形 [12]，引入残余压应力和加工硬化，并改变其微观组织，从而提高金属材料的抗疲劳 [13]、耐磨损[14]和抗应力腐蚀开裂 [15]等性能。
　　图 1.3激光冲击强化技术基本原理示意图
　　激光冲击强化的技术特点主要如下：
　　(1)高能。脉冲激光能量达数焦耳，脉冲激光功率密度达到吉瓦每平方厘米量级，且激光能量在极短时间内转变为冲击波动能。
　　(2)高压。冲击波压力达到吉帕量级，可直接导致金属材料发生剧烈塑性变形，这是常规机械加工难以达到的。
　　(3) 超快。冲击波作用时间仅几十纳秒，而且整个材料响应过程也只有微秒级。
　　(4)超高应变率。冲击波作用下材料在极短时间内完成动态塑性变形，其变形速率达 106s.1以上，比喷丸高出 1000倍，属于极端条件下的加工方法。
　　(5)非接触性。脉冲激光辐照材料表面后通过电离形成等离子体冲击波，再通过冲击波与材料相互作用，不存在物体与物体间的直接接触。
　　正是因为激光冲击强化具有与传统表面强化技术不同的技术特点，所以相比传统的喷丸、振动光饰、机械研磨等具有*特的技术优势。
　　(1)强化效果好。可形成 1mm以上的残余压应力层，是喷丸的 5～10倍[16]，更加有利于提高金属材料的抗疲劳等性能。
　　(2)实用性好。激光冲击强化通过冲击波将能量传播至更深处，相比喷丸、超声冲击等，表面塑性变形程度更低、表面粗糙度更小，尤其对于表面光洁度要求严苛的航空部件更具优势。
　　(3)可控性好。强化过程中，不仅可以实时设定激光参数 (能量、光斑等 )，还可以实现工艺精确控制，可适用于小孔、倒角和沟槽等部位的强化处理。
　　1.2.2激光冲击波结合力检测技术的原理及特点
　　激光冲击波结合力检测技术是一种新型界面结合强度的定量性检测技术 [17]，其基本原理和结构组成与激光冲击强化技术相似，同样是利用高功率 (吉瓦每平方厘米量级 )、短脉冲 (纳秒量级 )激光辐照材料表面，材料表面涂覆的吸收保护层吸收激光能量，快速发生电离产生稠密等离子体，等离子体膨胀爆炸形成高压等离子体冲击波 (吉帕量级 )，在约束层作用下冲击波*先以压缩波形式向材料内部传播，即**波程 (激光冲击强化技术所利用的，可使金属材料发生压缩塑性变形 )；冲击波传播到材料背面发生反射，转变为拉伸波，即第二波程 (激光冲击波结合强度检测技术所利用，可使粘接界面发生拉伸层裂 )[18]。当反射拉伸波应力值超过粘接界面的结合强度，就会在界面处发生层裂现象，因此，根据粘接界面处拉伸应力值和层裂现象发生与否，判断界面结合强度是否满足设计标准[19]，如图 1.4所示。
　　图 1.4激光冲击波结合力检测技术基本原理示意图
　　除了与激光冲击强化技术共性的特点，激光冲击波结合力检测技术还有以下特点：
　　(1)参数设计性强。激光冲击波结合力检测设备参数 (功率密度、脉宽、光斑大小等)范围宽且可调，可实现对冲击波时空参量的主动调控，从而满足不同部件的检测需求 (检测标准、深度、位置等 )。
　　(2)检测快速。整个冲击波作用及材料响应过程只有微秒级，配合内部层裂在线监测和判断技术可实现界面结合力的无接触、快速检测。
　　(3)合格件的无损检测。当材料界面结合强度大于检测标准 (反射拉伸波应力水平)，不发生冲击层裂，判定为合格品，此时材料内部未发生破坏损伤；反之，界面发生冲击层裂，即材料界面结合强度达不到检测标准，判定为不合格品 (制造生产中)或危险件(服役中)，此时虽检测带来损伤，但发现的不合格品 /危险件正好换下。
　　正是上述技术特点使激光冲击波结合力检测技术在薄膜、涂层、复合材料等含界面结构的无损检测领域具有以下优势：
　　(1)适用性好。传统拉拔法、剪切法和弯*法等结合力检测方法，设计难度大、流程复杂，既会损伤材料，又无法在线检测；激光冲击波结合力检测技术不需要专门设计试件，对部件无损，且可对装备部件进行在线检测。
　　(2)检测范围广。传统 X射线、超声波等无损检测技术只能对材料内部物理缺陷损伤进行检测，无法对界面“吻接”和结合力强度不足等问题进行有效检测。激光冲击波结合力检测技术可通过调控冲击波状态，对界面结合强度进行定量性检测。
　　1.3激光诱导冲击波应用技术的发展历程
　　科学家发现高功率、短脉冲激光辐照材料表面产生的等离子体冲击波，具有压力高、作用快、可控性好等特点，可使材料发生高应变率动态响应，造成剧烈塑性变形，甚至层裂，是传统方法无法实现的。因此，利用激光诱导冲击波，发明了*特的制造与检测技术，如激光冲击强化技术、激光冲击波结合力检测技术等。

目录
“博士后文库”序言
序
前言
第1章 概述 1
1.1激光诱导冲击波的基本原理 1
1.1.1高功率激光与物质的相互作用 1
1.1.2激光诱导冲击波的形成过程 3
1.2激光诱导冲击波的应用技术 4
1.2.1激光冲击强化技术的原理及特点 4
1.2.2激光冲击波结合力检测技术的原理及特点 5
1.3激光诱导冲击波应用技术的发展历程 6
1.3.1激光冲击强化技术的发展历程 6
1.3.2激光冲击波结合力检测技术的发展历程 8
1.4激光诱导冲击波及应用技术的基础问题 9
1.4.1关键科学问题 10
1.4.2共性技术问题 10
1.5本书主要内容 11
参考文献 12
第2章 激光诱导冲击波的压力特性 17
2.1激光诱导冲击波的压力模型 17
2.1.1一维爆轰波模型 17
2.1.2二维爆轰波模型 20
2.2激光诱导冲击波压力的测试原理及方法 23
2.2.1压电薄膜测试原理及方法 23
2.2.2激光干涉仪测试原理及方法 27
2.3激光诱导冲击波压力的参数影响 29
2.3.1功率密度对激光诱导冲击波压力的影响 29
2.3.2空间能量分布对激光诱导冲击波压力的影响 34
2.3.3激光脉宽对激光诱导冲击波压力的影响 39
2.3.4光斑畸变对激光诱导冲击波压力的影响 42
参考文献 48
第3章 激光诱导冲击波作用下的材料动态本构模型 50
3.1常用动态本构模型 50
3.2材料动态本构模型构建 53
3.3不同应变率下材料力学行为实验 56
3.3.1准静态拉伸实验 56
3.3.2霍普金森压杆动态冲击实验 60
3.3.3激光冲击强化实验 64
3.3.4残余应力测试实验 69
3.4本构模型参数识别 72
3.4.1本构模型参数识别方法 73
3.4.2激光冲击强化数值模拟 74
3.4.3本构模型参数反向识别 82
3.4.4本构模型参数的实验验证 85
参考文献 86
第4章 激光诱导冲击波的传播规律 89
4.1激光诱导冲击波传播的基本原理 89
4.1.1应力波的传播与衰减 89
4.1.2应力波的反射与透射 90
4.2激光诱导冲击波在材料深度方向上的传播规律 92
4.2.1深度方向上的传播过程 92
4.2.2深度方向上的衰减规律 97
4.3激光诱导冲击波在材料表面上的传播规律 102
4.3.1激光冲击“残余应力洞”现象 102
4.3.2“残余应力洞”的形成机制 104
4.3.3“残余应力洞”参数敏感性分析 108
4.3.4“残余应力洞”抑制方法 112
4.4激光诱导冲击波在薄壁结构内的反射规律 116
4.4.1薄叶片叶身区域的冲击波反射规律 117
4.4.2薄叶片进、排气边区域的冲击波反射规律 125
4.5激光诱导冲击波在薄壁结构内的透射规律 132
4.5.1薄叶片进、排气边区域的应力波透射规律 133
4.5.2不同透波材料的影响规律 139
4.5.3应力波透波装置设计与应用 142
4.6激光诱导冲击波在树脂基复合材料内的传播规律 144
4.6.1树脂基复合材料激光冲击的仿真建模 144
4.6.2树脂基复合材料内冲击波的传播规律 147
参考文献 149
第5章 激光诱导冲击波的双波系耦合规律 151
5.1应力波耦合的基本原理 151
5.2薄壁结构双面对冲的应力波耦合规律 152
5.2.1双面对冲的应力波传播规律及材料动态响应 152
5.2.2双面对冲的耦合残余应力应变场分布特征 161
5.2.3薄叶片模拟件的双面对冲工艺与性能验证 164
5.3薄壁结构双面错位冲击的应力波耦合规律 168
5.3.1双面错位冲击的应力波传播规律 168
5.3.2双面错位冲击的耦合残余应力应变场分布特征 170
5.3.3双面错位冲击下材料的动态力学响应 171
5.3.4不同错位条件的影响规律 173
5.4薄壁结构双面延时冲击的应力波耦合规律 175
5.4.1双面延时冲击的应力波传播规律 176
5.4.2双面延时冲击的耦合残余应力应变场分布特征 178
5.4.3双面延时冲击下材料的动态力学响应 179
5.4.4不同延时条件的影响规律 182
参考文献 184
第6章 激光诱导冲击波作用下的材料响应规律 185
6.1入射压缩波与塑性变形 185
6.1.1冲击压缩条件下材料的强度特性 185
6.1.2冲击压缩作用过程 187
6.2残余应力形成机制与分布规律 189
6.2.1残余应力形成机制 189
6.2.2残余应力分布规律 191
6.3显微硬度分布 194
6.3.1冷作硬化效应 194
6.3.2显微硬度分布规律 195
6.4微观组织的特征与演化 198
6.4.1实验材料及组织状态 198
6.4.2激光诱导冲击波作用下的微观组织特征 201
6.4.3激光诱导冲击波作用下的微观组织演化 211
6.5反射拉伸波与冲击层裂 217
6.5.1激光功率密度对复合材料层裂特征的影响 217
6.5.2激光空间能量分布对复合材料层裂特征的影响 218
6.5.3激光脉宽对复合材料层裂特征的影响 221
6.5.4激光诱导冲击波作用下复合材料的层裂机制 223
参考文献 225
编后记 227
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