利用激光声表面波对金属材料近表层宏、微观力学特性的研究

激光表面改性处理后表层各区域塑性变形的不均匀性影响了样品裂纹的萌生时间、位置和裂纹的扩展速度。这种塑性不均匀性在宏观上反映在力学性质（密度、弹性常数）沿平行于表面的水平方向的分布。目前对处理效果的研究及处理后金属疲劳断裂特性的无损评估还没有一种行之有效的方法。本项目利用激光超声波对激光表面改性处理后金属近表面层的宏观和微观特性进行评估。建立激光在近表面性质连续分布样品中激发超声波的理论计算模型和实验装置，从分析激光超声波的激发和传播机制入手，研究激光激发超声波的时域和频域特性，结合近表面层微观结构的变化对传播的超声波特征的影响，研究利用这些特征对样品近表面层沿深度和表面分布的敏感力学参数进行反演的方法。并对具有近表面层不均匀性微观结构金属的疲劳断裂特性进行预测。本项目的研究为激光表面改性处理参数的优化、处理效果的无损检测及疲劳断裂特性的预测提供一种有效的方法。

本项目主要研究利用激光超声波对材料的非均匀力学性质进行表征。本项目首先建立了激光在非均匀材料中激发超声波和超声波传播的物理模型，并利用数值方法和半解析方法分别对物理模型进行了求解，得到了非均匀材料中传播的超声波的时域波形以及速度色散曲线。并对非均匀材料的材料参数（如弹性常数、密度、力学参数的分布函数、非均匀层的厚度等）对超声波时域和频域特性的影响进行了详细的讨论。建立了非均匀材料中激光激发和接收超声表面波和体波的实验装置。以前面传播特性的研究为基础，对实验所得的超声波的时域和频域特性进行了分析，进而对理论模型进行了修改和完善，在理论模型中加入了粗糙度和孔隙率的影响。并利用遗传算法，结合我们的物理模型，成功的实现了对一种非均匀材料的力学参数的反演。本项目的理论计算模型和实验方法，可以处理多种非均匀材料，如表面改性处理材料、功能梯度材料、功能梯度涂层、各项同性基底上的模系结构等。本项目已完成原计划书中的研究内容。