基于高压纳秒量级激光冲击效应的疲劳件延寿机理基础研究

裂纹疲劳破坏失效是机械零部件一种常见的破坏模式。采用先进的表面强化技术延长疲劳件的服役寿命及可靠性，已经成为先进再制造工程中的关键问题。本项目以钢铁冶炼装备疲劳件的疲劳损伤行为为突破口，利用高压(GPa量级)短脉冲(纳秒量级)强激光冲击波作用于裂纹表面，结合冲击动力学与断裂力学理论、细观有限元模拟技术及实验测试手段，提出了新的疲劳延寿方法-激光冲击延寿。重点研究：材料的宏观微观力学性能与延寿前后损伤、断裂行为关系；材料在激光加载下疲劳微裂纹萌生与扩展规律；疲劳寿命预测模型等。目标是建立激光参数-应力水平-疲劳寿命的关系曲线和方程、获得适用于多尺度下的疲劳损伤与寿命预测可靠性理论及止裂延寿方法，大幅度提高钢铁冶炼设备的表面残余压应力和硬度水平，提高关键件疲劳寿命。在延寿机理与方法、多轴宏、微观疲劳判据等方面形成特色与创新，对提高疲劳件的强度水平具有重要的理论和工程实际意义。

本项目针对钢铁冶炼、石油化工等行业运行结构件承受波动载荷经常发生高温疲劳断裂的问题，提出超常服役条件下重大装备的基于激光冲击波力效应的裂纹面止裂与强化机制研究。通过材料表面激光强化与改性延寿相关研究，在激光先进制造寿命延长机理与系统疲劳寿命估算方法等方面积累了一定的研究经验，创新提出激光冲击制造复合延寿理论与技术并取得了较好的创新成果。. (1) 超常服役系统疲劳寿命分析新方法：通过容限系数修正与优化，发展了具有置信度和可靠度的疲劳寿命分析方法。在95％置信度和99％可靠度时，101.3MPa应力水平下小孔试件的激光冲击强化疲劳寿命增长为原来的338%，270MPa应力水平下单面和双面冲击强化寿命分别增长为原来的196％和129%。. (2) 冲击波应力因子物理模型建立：新建了基于材料动态响应理论的激光高应变率冲击波物理模型；借鉴应用有效应力强度因子概念首次精确表征出裂纹面二维应力强度因子权函数表达式，证明并获得激光冲击区非穿透裂纹前缘各点的三维应力强度因子函数关系；解决了超高应变率塑性形变对表面裂纹的扩展速度影响及寿命预测的科学问题，获得激光冲击对裂纹面疲劳裂纹扩展及闭合的影响规律. (3) 激光冲击波复合延寿理论创新：针对高温运行零部件制造系列技术难点，在对关键零部件优化制造延寿并取得良好效果基础上，提出了激光冲击波复合延寿方法；复合处理后材料性能显著提高，00Cr12材料的表面硬度从HV252提高到HV530，表面残余应力由135.7MPa的拉应力变为-230.6MPa的压应力；复合处理后整机平均寿命由1.5年提高到3年以上，稳定生产作业率由85％提高到95％以上。创新提出激光冲击波复合制造延寿理论。激光冲击制造复合延寿技术的突破解决了钢铁冶炼高温运行零部件设计制造系列技术难点，可推广到相近服役环境零部件与装备的延寿，以及有色金属冶炼、汽车等其他行业的抗疲劳延寿研发。. (4) 项目实施期间，共出版专著1本，发表相关论文21篇，其中SCI检索7篇，EI检索13篇，参加国际国内会议18次，大会邀请报告/小组报告共计7次，担任会议主席1次；申请发明专利7件，国际发明专利4件，授权发明专利6件；获得奖励及荣誉4次。