强激光诱导脆性材料冲击塑性变形与强化机制研究

强激光能否在合适条件下诱导脆性材料发生冲击塑性变形，实现增强和延寿？这是一个崭新的课题。本项目针对脆性的硅晶体材料开展激光冲击强化（LSP）研究，通过改进的LSP试验研究和改进的SHPB试验研究，以及多物理耦合数值模拟研究，获得硅晶体材料在高温、高压、高应变率下的本构方程及脆韧转变的参数范围；获得激光诱导冲击波在靶材中传播与卸载时，材料的动态塑性行为与残余应力形成机制；结合量纲分析方法，获取影响靶材冲击硬化效果的主控参量；并探索利用FEM和位错动力学耦合的方式，获得脆性材料位错的演化及其与冲击波的相互作用。研究成果不仅可以为激光与物质相互作用这一力学学科前沿课题增添新的内涵，还有可能为脆性材料的增强和延寿提供新的方法。

本项目研究了强激光冲击下脆性材料的塑形变形与强化机制。主要研究内容包括三个方面：其一是研究短脉冲强激光诱导的冲击波演化与传播规律，建立了描述短脉冲强激光诱导的冲击波压力演化规律的耦合模型和计算方法，同时采用PDV测量系统获得了介质内冲击波的传播和衰减规律，并给出了冲击波衰减的经验计算公式，为强激光诱导脆性材料变形机理的分析提供了基本的依据；其二是实验中获得了典型脆性材料（单晶硅和非晶）在强激光冲击条件下的变形特征，得到了温度和压力对单晶硅材料变形机制的影响，发现非晶材料在强激光冲击下展现的一种新的变形模式，并通过单晶塑性有限元模拟获得了FCC单晶材料宏观塑性变形与滑移系运动的规律；最后结合强激光与物质相互作用的物理机理，采用量纲分析和数值模拟相结合的方法得到了冲击压力特征及最终强化效果的几何相似律和相似参数，并给出几何相似参数对强化效果的影响规律，为激光冲击强化效果的评估和工艺参数的优化设计提供了一种有效的分析方法。上述三个方面的研究内容对强激光冲击下脆性材料的塑形变形与强化机理开展系统深入的研究。研究成果为强激光与物质相互作用这一力学前沿课题增添了新的内涵，同时为强激光对脆性材料的增强和延寿方法提供了基础支撑。