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镁合金的使用和推广是结构减重的重要途径,普通镁合金由于表面力学性能差使用范围极为有限。近代仿生学研究表明,于材料表面构造微纳米尺度的凹坑能够改良摩擦磨损等表面力学性能。使用高功率密度激光照射材料能够在基体表面形成半径为微米尺度的蚀坑,这种表面造型的新思路称为“激光剥蚀”。为探讨激光工艺参数对蚀坑形貌的影响,本文使用ANSYS有限元软件模拟了激光剥蚀AZ91D镁合金的过程,并将剥蚀结果简化后导入ABAQUS中进行具有粗糙表面基体的压痕有限元模拟,以探讨微造型工艺对材料表面弹性模量和硬度的影响。短脉冲激光加工技术因兼具加工精度高、使用方便等优点,在激光表面改性领域得到了广泛应用。为探索短脉冲激光加工工艺参数与蚀坑成型之间的关系,许多学者通过数值模拟方法对此进行了研究,本文在已有研究成果的基础之上提出了一种新的算法,与传统方法相比该算法能够将满足剥蚀条件的单元即时从基体中去除,更加符合实际物理过程,从而能够为激光参数与微蚀坑造型之间的关系提供较为准确的定义。模拟结果表明：激光功率密度高于某一临界值(约为0.3×109W/cm2)时,材料才能被剥蚀,蚀坑的半径与激光光斑半径基本相同；当激光脉冲宽度为10ns时,单个脉冲所产生的剥蚀坑的深度会随着激光能量密度的增大而增大,但增大趋势会因等离子屏蔽效应而逐渐变缓,热影响区则不断减小；脉冲能量密度保持不变,脉宽由500ps到50ns之间变化时,由于三种机制的同时作用,剥蚀坑深度先迅速增大后逐渐减小,热影响区逐渐增大；多脉冲作用时剥蚀深度随着脉冲个数的增加而线性地增加,剥蚀半径逐渐逼近激光光斑半径,热影响区变化不大。基于激光剥蚀模拟结果,在ABAQUS中建立表面密布微蚀坑的三维有限元模型,进行微纳米压痕有限元模拟。表面节点间距与激光光斑半径相同,以构造类似蚀坑形貌的结构,并使用MATLAB编写程序通过随机改变表面各节点的高度获得特定表面粗糙度,节点变化范围参照激光剥蚀蚀坑深度。使用锥形解析刚体作为压头,模拟结果显示：绝大多数情况下粗糙表面基体具有比光滑表面基体更高的表面弹性模量和硬度,其中表面粗糙度为500nm的基体最大；总体上,表面硬度随着压入深度的增加逐渐减小,弹性模量随压入深度的增加逐渐变大,并渐趋稳定。基于上述研究方法,我们将短脉冲微造型技术拓展到飞秒激光领域,在一定假设基础之上获得纳米和亚微米级别的蚀坑,使用类似的方法将蚀坑引入到粗糙度模型中,以探索更小尺度下材料表面性能的改良。压痕模拟结果表明,提高加工精细度,即减小蚀坑半径,材料表面可获得更高的弹性模量和硬度；在纳米压痕尺度范围内,弹性模量和硬度的变化趋势与微米压痕基本相同；热残余应力对材料表面性能具有影响,除热应力外,应力变化梯度是导致材料力学性能变化的重要原因。综合有限元模拟的结果可以得出以下结论：激光剥蚀工艺可以加工出具有特定表面粗糙度的基体,这种表面相比于平滑表面基体而言具有更好的力学性能。本论文研究内容得到了国家自然科学基金的资助(No.11272072)。