金属纯镍具有十分优良的耐蚀性能,加工性能和焊接性能,具有较高的电真空性能和电磁控制性能。晶体结构为面心立方,具有较好的延展性和良好的强度。镍具有大量吸收氢气的能力,并且晶粒越细,吸收氢气的能力越强。激光冲击强化手段使用高能脉冲激光与材料表面发生作用,引发等离子体,形成高压冲击波向材料内传播,使材料表层区域位错密度提高,晶粒发生细化,从而改善材料多方面性能。本文利用实验手段通过不同实验参数对金属纯镍进行了激光冲击强化实验,通过激光诱导的高能冲击波作用,分析了镍截面力学性能及表层微观组织变化,深入研究了镍在超高应变率下的晶粒细化及塑性变形行为。并通过构建镍单晶体和多晶体模型,采用分子动力学模拟的手段,进一步揭示纯镍的内部微观位错结构演变规律。其主要的研究内容和结论如下:(1)理论分析了激光引起的冲击波作用于材料表面后,引起表层材料产生塑性变形的机制,获得材料在激光冲击强化作用下的微观结构演变规律和作用机理。(2)通过实验手段对金属纯镍在不同能量以及不同冲击次数下激光冲击强化作用效果,分析了其表面三维形貌和截面显微硬度分布情况,发现单次激光冲击后表面起伏的程度较小,多次冲击后则引起了严重的塑性变形,导致表面粗糙度变大。同时,增加冲击次数,可以提升材料影响层的深度,但冲击次数达到一定值后,对材料显微硬度的影响将减弱。(3)采用SEM等材料表征手段,对冲击截面方向下的金属镍的微观形态进行了分析,可以看出金属镍在经过表面激光冲击强化后其表层晶粒发生了明显的塑性变形,晶粒发生了拉长畸变,相对未冲击区域的晶粒,冲击过的试样截面晶粒相对较小,晶粒在激光冲击作用下得以了细化。而多次激光冲击后,加大材料塑性变形程度,促成新晶界的形成,其晶粒细化的程度更加明显。(4)使用分子动力学模拟的方法研究了金属镍单晶体和多晶体在不同的冲击压缩速度下产生的塑性变形机制。在对冲击波在镍单晶体的传播研究中发现,在塑性变形的早期阶段,位错的运动使得塑性变形成为可能。并且随着不断增加的应力,位错得以进一步的运动。部分位错的密度饱和,促进堆垛层错形成。(5)在对镍多晶体在冲击作用下的研究中可以发现晶界对镍多晶体的塑性变形扮演了重要的作用。其塑性变形大致经历了以下过程:首先是弹性变形过程,在该过程下冲击波诱导的冲击压力小于金属镍多晶体的Hugoniot弹性极限,主要以弹性变形为主;其次是通过晶粒与晶粒之间的晶界诱导的塑性变形阶段,在该阶段下,晶界上的原子在应力作用下会发生一定的滑移,应力的提升使得在晶界区域发生塑性变形,导致晶粒滑动及晶界变形等;随后,冲击应力的进一步的提高,诱发以位错为主的塑性变形机制,不全位错在晶界附近成核,不断开始增长,并向晶粒内部进行进一步的扩展和增殖,使得部分晶粒得以细化。