激光冲击强化作为一种前沿的表面处理技术,具备“三高一快”(高压、高能、超快、高应变率)特点,可以广泛应用在金属和零部件的强化上。各国研究人员已经对激光冲击强化技术进行了系统研究,但都是在航空铝合金材料方面,而在航空工业有重要作用的高质量合金钢的科学研究则比较少。40Cr钢在航空工业上常使用在高速和冲击负荷小的工作环境中,而传统的表面强化方法主要存在效率低、温度高、工作环境差等缺点。针对上面提到的问题,本文以40Cr钢为研究对象,采用ABAQUS有限元软件系统研究了不同工艺参数(冲击次数、光斑直径、冲击波加载时间、激光能量和压力幅值上升时间)对激光冲击强化的影响。对不同的搭接率布置方案激光冲击强化进行了分析。研究了正反表面同时冲击和间隔冲击在残余应力和表面变形的差异,并探讨了正反表面间隔冲击两次,三种顺序对残余应力和“残余应力洞”的影响。采用脉冲激光器对40Cr钢方块试样进行激光冲击强化处理并与模拟结果进行对比。分析“残余应力洞”产生原理、以及不同工艺参数对其影响,研究了两种对“残余应力洞”抑制的方法。(1)通过ABAQUS有限元软件构建了三维分析模型,研究了不同工艺参数对冲击强化在残余应力、应变和表面变形等方面的影响规律并分析了对“残余应力洞”问题的影响。对40Cr钢进行了较为系统的激光冲击强化数值模拟研究,分析了不同工艺参数对其强化效果的影响规律。以不同激光冲击强化次数为例,激光冲击次数为1次、2次和3次时,残余压应力最大值分别为468.36 MPa、540.87 MPa和556.31MPa,压应力影响层深度也不断增大。随着冲击强化次数增大在表面变形、等效塑性应变方面也随之增加。分析了不同参数对“残余应力洞”问题的影响,阐明了并不是冲击次数越多、脉冲加载时间越长,能量越大对强化效果就越好。(2)研究了不同光斑搭接率布置方案下的激光冲击强化效果,为后续大面积激光冲击强化奠定了基础。研究了正反表面同时冲击和间隔冲击在残余应力、表面变形和等效塑性应变的差异。研究得出了随光斑搭接率的增大,试样表面变形和残余应力分布变得相对均匀的结论。当光斑搭接率较小和较大时,表面变形数值会比较大。正反表面同时冲击比间隔冲击在正反表面应力分布上有更好的一致性。(3)分析了正反表面间隔冲击两次,三种冲击顺序的优劣。正反表面间隔冲击两次有三种冲击顺序,冲击顺序一:正反正反;冲击顺序二:正正反反;冲击顺序三:正反反正。采用冲击顺序一和冲击顺序二在正面的残余压应力比反面的大,采用冲击顺序三,结果正好相反,冲击顺序二产生的“残余应力洞”现象最小。(4)对40Cr钢进行了不同能量的激光冲击强化处理,通过分析不同能量下激光冲击强化后试样残余应力分布的试验结果与模拟结果的异同,从而验证了数值模拟结果的准确性。研究了抑制“残余应力洞”问题的方法。针对不同能量的激光冲击强化处理,通过X射线应力测试仪对冲击后试样表面和深度方向的残余应力进行了测量并与模拟数值对比。试验获得表面压应力最大值为461 MPa,与模拟得到的压应力最大值447.5 MPa很相近。研究了通过二元光学衍射将圆形光斑改变为方形光斑和使用光斑搭接率进行大面积激光冲击可以有效地抑制“残余应力洞”问题。得出了激光冲击最优搭接率应该在50%~75%之间选择的结论。