激光冲击强化是一种高效的表面强化技术,具有高能量、超高压、超快速和超高应变率的特性,激光冲击使金属材料表层获得较高的位错密度,从而改善材料表面残余应力的分布状态,获得一定深度的压应力层,提高材料的结构疲劳特性、耐磨性以及应力腐蚀性能。激光冲击后金属及合金材料表面的性能改善主要取决于表层金属微观组织的演变,本文开展的激光冲击不锈钢及焊接件力学性能与组织细化方面的研究,为激光冲击不锈钢及其焊接件的工业应用提供了依据。本文主要开展了以下研究:不同次数单点激光冲击在不锈钢表面诱导的残余应力以及表面微观组织的联系研究、不同能量大面积激光冲击不锈钢的表面粗糙度与微观组织演变的进一步研究、激光冲击不锈钢焊接件应力与应变有限元分析研究、激光冲击不锈钢焊缝区微观组织的演变规律研究。通过四个方面的深入研究获得了以下结论与成果:(1)研究了不同次数单点激光冲击不锈钢表面残余应力以及表面微观组织之间的联系,同时探索了一种由单点到多点大面积激光冲击获得均匀表面残余应力的方法:三次单点激光冲击后,光斑中心处的残余压应力值以及其影响深度达到了一个峰值,残余压应力值基本保持不变,残余压应力的影响深度也达到了一个饱和值。随着激光冲击次数从一次增加到三次,原始粗晶分别被孪晶薄片,亚微米菱形缠结与三角状缠结分割开来,从而得到细化晶粒。大面积激光冲击光斑搭接率为50%时,单个光斑内大多数的区域被冲击次数至少为3次,AISI304奥氏体不锈钢试样上表面区域出现了大量的亚微米三角状缠结,微观组织细化更均匀。冲击表面残余应力分布、微观硬度以及弹性模量大幅提升,并且在激光冲击延伸影响区域也趋于均匀。(2)进一步研究了不同能量大面积激光冲击对不锈钢的表面粗糙度与微观组织演变的影响,同时对激光冲击与未冲击试样进行了电子背散射(EBSD)分析并提出了四个方向机械孪晶交叉的晶粒细化机制:大面积激光冲击增加了原始试样的表面粗糙度,与3 J激光能量冲击相比,采用6 J激光能量冲击可以获得一个相对光滑的表面,主要原因是6 J激光能量相对应地可以获得更大的有效变形区域。与原始试样中60°取向角峰值9%的比例相比,3 J激光能量冲击后取向角峰值比例为46%,6 J激光能量冲击后取向角峰值比例为40%,大量的~60°<111>形变孪晶出现在AISI304奥氏体不锈钢的激光冲击强化层。这些现象表明大面积激光冲击可以通过孪晶分割来细化AISI304奥氏体不锈钢表层的原始粗晶。伴随着机械孪晶的出现,激光冲击波诱导的塑性变形同样导致了ε马氏体的转变。激光冲击波诱导的塑性变形层中第四个方向的机械孪晶交叉第一次被发现,激光冲击波机械效应下的基于四个方向机械孪晶交叉的晶粒细化机制被提出。(3)开展了激光冲击强化不锈钢焊接件的有限元分析研究,研究激光冲击对不锈钢焊接件表层的残余应力以及应变的影响,为激光冲击不锈钢焊接件的试验研究提供理论依据:脉冲能量越高,激光冲击后焊接区、热影响区以及基体区残余压应力值都有所增加,而残余压应力增加幅度随着脉冲能量的增加反而有所降低;焊接件表面残余压应力层厚度以及试样截面中间部分的残余拉应力值也有所增加,同样其增加幅度随着脉冲能量的增加却有所降低。脉冲能量越高,焊接件表面应变峰值越高。60 ns后,激光诱导的冲击波衰减消失,焊接件表面应变也随之减弱,三种脉冲能量冲击诱导的应变曲线变化趋势基本一致。(4)在有限元分析的基础上开展了激光冲击不锈钢焊接件焊缝区域微观组织演变规律的研究,为激光冲击不锈钢焊接件获得均匀微观组织细化层提供理论与实践指导:大面积激光冲击强化后,焊缝及基材表层区域的原始粗晶被细化,焊接金属与基材金属之间的交互结晶现象显著提升。大面积激光冲击诱导不锈钢焊接件焊缝区域表层微观组织细化的主要原因是由位错运动导致的亚晶界将原始晶粒分割成细化晶粒。大面积激光冲击强化后焊接区域表层晶粒内部产生垂直方向与水平方向的亚晶界,随着垂直方向与水平方向的亚晶界的不断生成,晶粒内部被两个方向的亚晶界逐渐分割开,在后续的激光冲击波作用下继续发生动态再结晶的过程,原始柱状晶最终演变成等轴细化晶粒。