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材料力学性能的激光调控技术(1)
    时间:2011-10-16     点击率:27033

     编者按: 力学研究所陈光南研究员,作为“YAG激光毛化轧辊技术及应用”项目的主要完成人之一,曾获得由世界知识产权组织和中国专利局联合颁发的“中国专利发明创造金奖”(1997年)和由国家颁发的“中华人民共和国科学技术发明奖”二等奖(2007年);作为“管状工作内壁激光强化技术”项目的主持人,曾获得由中华人民共和国国防科技工业委员会颁发的“国防工业科技协作配套先进个人”称号(2006年)和“国防科学技术发明奖”三等奖(2008年)。陈光南研究团队在材料力学性能的激光调控技术方面持续开展了深入细致的研究,我们将陆续介绍相关的进展。


    材料力学性能的激光调控技术(1)

    从激光加工技术谈起



        为什么要调控材料的力学性能?当然是为了改善和提高材料的可加工性或其使用性能。为什么要用激光来调控材料的力学性能?这是因为激光加工具有常规机械加工难以企及的多种优势。在调控材料的力学性能方面,以激光能作为手段的加工与以机械能作为手段的常规加工到底有什么不同?其优势究竟体现在那些方面?好吧,不要着急,听我们从机器、机械加工到激光加工,一步一步地给你讲起来……
        人类演化成为“现代人”的标志是制造工具。当然,远古人类只能用石、木、土、革等类材料“制造”一些简单的工具。随着社会的进步和金属材料的出现,人类逐渐发明、制造了各种机器,它们是用于节省或代替人力或畜力以完成各种体力劳动的、具有特殊用途的装置。一般而言,机器是由两个以上的零部件构成的,这些零件、部件之间有确定的相对运动(谁都明白,机器不能是一个“死疙瘩”啰!),用来转换或利用机械能做功。现代的机器通常具有动力、传动和工作三个组成部分。如果两个以上的构件通过活动联接来实现规定的运动但不做功,便称作机构。人们常说的机械,则是机器和机构的泛称。图1给出人类发明的机器从简单、粗糙到复杂、精密的示例。这是一个漫长的过程。

                                                     
      (a)史前期古巴比伦的弓形钻                                        (b)公元前500年古希腊的脚踏车床


                            
(c)1769年的瓦特蒸汽机                                              (d) 现代的普通车床

    图1     机械演化发展的漫长历史进程


        18世纪后期,机械制造工业开始形成,制作机械的主要材料逐渐由木材变为金属,制作机械的方式逐渐由个体工匠的手工技艺变为机械化加工与装配而且实现了批量化生产。机械制造工业的发展促成了18-19世纪的工业革命,目前任何现代产业和工程领域都需要应用机械,直到我们每个人的日常生活(例如汽车、洗衣机、空调等等)。人们常常说的“机械和人力、资金、能量、材料一起构成了现代社会进行生产和服务的五大要素”,就体现了这个意思,而且其中的“能量”和“材料”两个要素的生产也必须依赖于机械。
        机械的重要性是不言而喻的,那么机械是如何制作出来的呢?这就涉及到加工的问题了。机器的每个零件不是“天生”而有的,都是人工制造出来的。“材料加工”就是把工业原料制作成零部件或产品的过程。它的作用为:(1)把原材料做成需要的形状;(2)改变或改善材料的性能,使之满足工作的需要。这里的第(1)点不难理解,就是要利用机械能对原材料(或者坯料、半成品)进行加工使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量,例如转轴、齿轮、滚筒、滑杆等等。利用机械能进行加工一般需要通过具有一定功能的机器或机床来实施,譬如轧机、锻压机床、冲床,以及可以实施车、刨、铣、钻、镗、锯、磨、剪等各类加工工艺的机器。尽管激光加工也可以发挥上述多数机械加工的功能,但因与本文的主题关系不大,我们就不对这方面的情况展开叙述了。
        本文讨论的重点是材料加工的第二种作用,即改变或改善材料、特别是材料表层的力学性能。这里所说材料的力学性能究竟是指什么呢?它主要是指材料的宏观性能,包括弹性、塑性、抗冲击能力以及强度、刚度、硬度、韧性、疲劳和蠕变等。这些性能既与材料的化学成分有关,也与其加工工艺关系密切。因为热加工工艺可以改变材料的晶体结构、晶粒大小以及工件内部残余应力的大小和分布,车、铣、刨、磨、镗等机械加工工艺可以改变工件表层的形貌和粗糙度,喷丸和爆炸等冲击工艺可以通过增加工件表层的残余压应力提升其耐磨损能力和抗疲劳能力。20世纪40年代以来,随着高新技术的进展,人们研发出直接利用声、光、电或化学能的“特种加工”方法。之所以被冠以“特种”,是因为它们的加工机理不同于前面提及的传统机械能加工方法,例如超声波加工、激光加工、电火花加工、电子束加工、离子束加工、等离子弧加工等。这些特种加工方法在提高产品质量、生产效率和经济效益等方面显示出了巨大的优越性。因为具有更高的能量密度、更好的方向性、兼备多种功能、可以在大气环境下工作等一系列优势,激光加工成为特种加工技术中更具特色、应用前景更为广阔的现代加工技术之一。以下我们将重点介绍激光加工技术。
        首先,我们来了解什么是激光。激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光。根据近代原子物理可知,由于电子在原子中是“成层”分布的(即在不同的轨道上运动),原子的内能按“能级”分布;电子在最靠近原子核的轨道上时是最稳定的一级,称为“基态”,其余较高能级则称“激发态”;处于激发态的原子是不稳定的,它总是力图向低能级跃迁并可以辐射出光能来;这种跃迁可以是“自发”的,也可以是“受激”的;“受激辐射”就是原子在吸收外来光子的能量后发射出同样(指方向、频率、相位、偏振等特性)的光子。这样产生的受激辐射光,简称为“激光”。大家知道吗?这个术语的中文译名还是钱学森先生建议的呢!



    
(a)CO2 轧辊毛化                                            (b)YAG激光轧辊刻花

    图2     激光加工实景照片


        激光除了具有普通光的共性(反射、折射、绕射以及衍射相干等)外,还具有亮度高、方向性好、单色性好及相干性好等四大优点,因此在国防军事、工业生产、医学医疗、科学研究等领域得到了广泛应用。激光在机械制造中已用于对材料进行打孔、切割、焊接、热处理和表面改性等。激光加工是利用激光束使材料瞬时熔化、气化,它可以利用在此过程中产生的冲击波使熔化物质“爆炸式”地喷溅或去除来实现加工,亦可以利用激光的冲击加热来实现材料的增强与增韧、改性与改性。激光加工的特点是:(1)适用的材料范围广,可加工各类金属、陶瓷、石英甚至金刚石等;(2)能量密度高,加工速度快,热影响区小,工件变形小且后续加工量少;(3)聚焦光斑可达微米量级,适于微细加工,并可通过透明介质(如玻璃、气体等)对密闭容器内工件进行加工;(4)无需工具并易于导向、聚集和发散,适于自动化连续操作;(5)不受电磁干扰,无需真空环境,不会产生X射线,是一种“无公害”工艺。当然激光加工也有一些缺点,主要有:(1)对具有高热传导率或高反射率的材料进行加工较为困难;(2)光斑内光强分布不均匀,影响着加工精度。这些都给激光加工技术的研发者提出了挑战。
        陈光南研究团队多年来一直致力于激光离散热加工方法的探索研究,这是一种利用具有一定能量密度的激光束,离散地或有选择地作用于工件的表面,通过改变作用区域内工件表面形貌、材料的组织结构,或者通过调整控制材料的内应力,使之获得设定的功能、性能或变形。现在,大家大体明白什么是“力学性能的激光调控”了吧?近年来陈光南研究团队在激光毛化、激光镀层强化和激光辅助预应力成形等方面取得了很好的进展。在随后的文章中,我们将逐个介绍他们的研究工作。


    (王柏懿撰文)