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恒弹性合金具有特殊的物理性能 。 这类金属功能材料可细分为磁性合金、弹性合金、热膨胀合金、电阻合金等 。 主要用于仪器仪表、电子技术等行业作为能源、信息转换、传输等元件 。 恒弹性合金技术含量高、附加值高、经济效益显著 ， 具有重要的工程应用价值 。 但由于铁镍合金材料化学成分复杂 ， 合金元素含量高 ， 给合金生产带来了新的困难 ， 因此常规的表面处理工艺在质量和性能上有一定的局限性 。
强激光(脉冲能量30 ~ 50 J ， 脉冲宽度15 ~ 30 ns)与材料相互作用产生的强冲击波具有高电压(GPa~TPa)、超快(数十纳秒)和超高应变率(107 ~ 108 s-1 ， 比爆炸成形高100倍)的显著特点 ， 形成了独特的非常规制造技术 ， 利用强激光冲击强化近年来在国防工业中广泛应用于金属结构件的强化、抗疲劳和抗腐蚀性能改善 。
纳米压痕技术是评价微薄膜力学性能的有效手段 ， 在材料表面研究中日益受到青睐 。 本文对恒弹性合金中的3J58试样进行了激光冲击处理 。 用纳米压痕仪测量了激光冲击后试样的冲击区、影响区和基体(非冲击区)的硬度和弹性模量 ， 并对上述区域的表面残余应力进行了测试和研究 ， 为进一步控制激光冲击强化过程中力学性能的变化提供了依据 ， 为恒弹性合金3J58的表面强化处理提供了新方法 ， 对延长恒弹性合金3J58的使用寿命具有重要意义 。
试验选材、装置及参数试样材料为强化型恒弹性合金3J58 其化学成分范围为: ω (Ni) =43.0%～43.6% ω (Cr) =5.20%～5.60% ω (Ti) =2.30%～2.70% ω (Al) =0.50%～0.80% ω (C) ≤0.05% ω (Mn) ≤0.80% ω (Si) ≤0.80% ω (P) ≤0.02% ω (S) ≤0.02% Fe余量.机械性能：比重d为8.1g/cm3；抗拉强度b为150 kgf/mm2；维氏硬度HV为400 ， 样品尺寸为60 mm60 mm2 mm ， 约束层采用K9光学玻璃 ， 激光减震层采用厚度为0.3微米的3M公司专用铝箔 。 在冲击试验前后 ， 样品被放在一个装满乙醇的容器中 ， 并用超声波清洗 。
3J58合金的激光冲击强化实验是重复频率钕玻璃大功率激光冲击强化装置上进行的 。 激光光斑直径为8 mm ， 脉冲能量为20 J ， 激光波长为1 054 nm ， 激光脉冲宽度为20 ns 。
纳米压痕测试利用高分辨率纳米压头测得的连续载荷和位移来计算材料表面的力学性能 ， 压针为金刚石贝尔科维奇针尖 。 将压针用力压入样品表面确定表面接触零点 ， 加载保持时间为10 s ， 力分辨率为3 nN@1 N ， 加载力范围为100 nN~10 mN ， 最大加载速率在纳和纳牛顿水平 。 样品表面上的微区可以被探针按压或刻划 。
用X350A X射线应力计对3J58合金试样表面进行了X射线衍射分析 。 扫描开始角和结束角分别为107和114 ， 倾斜角分别为10、25、35和45 。 对于铬靶K的特征辐射 ， 3J58合金为(311)晶面 ， X射线吸收系数 f=2.5 。
试验结果和分析纳米压痕测量技术中 两种最常用的力学性质就是纳米硬度 (H) 和弹性模量 (Er)根据Oliver-Pharr方法 可以分别由下式给出:
H=Pmax/A ( 1 )
Er=√π/2β·S/√A( 2 )
hc=h?βPmax/S ( 3 )
其中Pmax是最大负载；S是卸载曲线顶部的斜率 ， S = DP/DH；Hc是接触深度；a是接触面积；Er是折合弹性模量；β是与压头几何形状有关的系数(三角锥压头为1.034) 。 将制备好的样品放置在Triboindenter纳米压痕仪上 ， 载荷为1 450 μN ， 从中可以得到纳米压痕的最大载荷Pmax和接触深度hc的数据 ， 每组数据为多次试验结果的平均值 。 纳米压痕的压力和卸载曲线如图1所示 。
从测试结果可以看出 ， 未受激光冲击的合金表面的纳米硬度H和弹性模量Er分别为2.08 GPa、34.35 GPa 。 激光冲击影响区的纳米硬度h和弹性模量Er分别为2.47 GPa和95.79 GPa 。 激光冲击区的纳米硬度h和弹性模量Er分别为5.04 GPa、17.56 GPa 。 显然 ， 激光冲击区和激光冲击影响区的纳米硬度和弹性模量明显高于非冲击表面的相应值 。 并且与非冲击区144.25 nm的接触深度相比 ， 激光冲击后 ， 样品的冲击区和受冲击区的接触深度分别为135.48 nm和106.59 nm ， 接触深度明显降低 ， 这也说明激光冲击提高了冲击表面的纳米硬度 ， 有利于提高样品抵抗外物冲击损伤的能力 。
图2显示了激光冲击3J58样品凹坑周围的残余应力分布 。 由于X射线对金属的穿透深度约为5微米 ， 所以实验中测得的应力值是5 μm深度处薄膜层的平均应力值 ， 蓝色曲线是测得数据的残余应力分布曲线 。 从图中可以看出 ， 激光冲击区的残余应力为-210 ~-170 MPa 。 激光冲击影响区的残余应力为-170～60 MPa ， 3J58试样基体的残余应力约为60 MPa 。 激光冲击强化区晶格间的位错和滑移引起的塑性变形导致较高的残余压应力 。 同时 ， 由于激光束为圆形光斑 ， 激光的空间能量为准高斯型 ， 冲击影响区中心的残余压应力相对较低 ， 而靠近冲击影响中心的环形区域的残余压应力相对较高 。 进一步研究了其机理 。
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