激光冲击作用下金属材料残余应力场的响应规律和强化效应

Laser peening is one of high energy surface modifications to induce compressive residual stress in surface layer which is beneficial to improve fatigue property and does not make any changes of chemical composition or induces any microscopic or macroscopic flaws for the treated materials. However it is not easy to immediately obtain a given residual stress field that is suitable for some components in engineering applications by the operators due to few investigations on the response of metallic materials to some parameters of laser peening. A lot of experiments have to be employed to confirm or verify the strengthening effects .It will cost much to make the optimization of process parameters and do many fatigue tests. Three types of metals including fcc, bcc and hcp crystalline structures will be laser peened to investigate the response of residual stress fields to the parameters of laser peening. Then, the evolution of residual stress fields was studied by the X-ray diffraction residual stress measurement and analyzed by FEM simulation. The project intends to propose an analytical model for the residual stress filed induced by laser peening. Moreover, we will comprehensively study the effects of residual stress by laser peening on fatigue property, and therefore based on the residual stress evolution, we will find and propose the mechanism of the formation, evolution and strengthening effect of the residual stress field induced by laser peening.

激光冲击强化是一种深层高能表面改性技术，可在材料表层引入残余压应力，提高疲劳性能，且不改变化学成分和引入宏微观缺陷。由于缺少对不同晶体结构金属材料的激光冲击强化残余应力的深入研究,工程应用中常常难以立即获得所需某一给定的残余应力场，因此不得不进行大量昂贵的强化工艺参数优化实验和疲劳实验以确保强化效果。本项目拟对fcc、bcc和hcp三种晶体结构的金属材料进行激光冲击强化，采用X射线衍射技术进行残余应力实验测定，结合有限元模拟方法来研究金属材料激光冲击残余应力对工艺参数的响应规律，建立激光冲击强化残余应力场的分析模型，并采用疲劳实验来研究激光冲击强化残余应力的松弛效应和作用机理，以揭示激光冲击强化残余应力场的形成机制、演化规律与强化机理。

激光冲击强化通过在材料表面引入残余压应力来提高疲劳性能，是一种深层高能且不引入缺陷的新型表面改性技术。由于我国激光冲击强化研究起步晚和设备落后，导致基础理论研究薄弱，一直对残余应力场形成过程中的机理与演化规律还缺少系统细致和全面的研究，因此严重制约了激光冲击强化在我国重要武器装备和航空关键零部件上的应用。. 本项目进展顺利，按照预期目标完成了研究。通过对不同晶体结构的金属材料进行激光冲击强化处理、残余应力测定、疲劳实验、表面完整性表征及有限元模拟等一系列 研究，得到了不同晶体材料在一维线探和二维面探不同残余应力测试方法下的特点；获得了不同能量密度、脉冲时间、光斑形状、搭接率下激光冲击强化层的梯度组织特性及参数影响；建立了金属材料残余应力场与激光冲击强化工艺参数的定量描述公式；得到了激光冲击对疲劳抗力的强化效应、对疲劳裂纹萌生扩展的抑制机理；揭示了高温条件下激光冲击强化残余应力的松弛效应机制等。此外，通过与喷丸强化对比得到激光冲击强化带来的综合强化效果能更好，残余应力层影响更深，具有更好的表面完整性、抗疲劳性能以及高温稳定性，是一种具有广阔应用前景的表面处理技术。. 本项目部分研究结果得到了航空研究院所和企业的重视，有些研究成果为我国航空发动机转子叶片、C919大飞机机翼挡板、核电芯堆锆管等关键件的研制和维修延寿提供了理论依据，为我国军工制造过程中的表面技术应用起到了重要作用，也为某些国家科技重大专项中产品综合性能的提升奠定了基础。本项目进行期间发表论文21篇，其中SCI收录8篇、EI收录3篇，获得的部分研究成果写入了专著《表面完整性理论与应用》中。部分研究成果在2015年的力学大会上的疲劳断裂、第七届国际表面工程会议、第五届亚洲热处理和表面工程国际会议、第十三届ICSP国际喷丸大会上进行报告交流。此外，本项目共培养已毕业博士生2名，已毕业硕士生2名；在读博士生5名，在读硕士生6名。