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据统计,有多于一半的疲劳破坏是在应力集中处发生的,且不同零件在不同工况下的应力分布也不同,因此针对特定应力分布,在材料表面诱导结构与功能一体化的梯度结构,提升零部件的疲劳性能刻不容缓。本文基于激光冲击强化技术,采用不同冲击面积多层叠加的方式,在TC4双相钛合金表面诱导梯度结构。通过X射线应力测定仪,显微硬度测试仪,MTS 370万能试验机,扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM)以及电子背散射衍射(EBSD)等对TC4钛合金的某些力学性能及微观组织进行了测试、观察与分析,最终研究发现利用不同面积多层叠加的方式进行梯度式冲击,在表面诱导梯度结构之后,能够经济有效地提升材料的抗疲劳性能,更好地发挥材料的综合性能优势。本文主要研究内容和结论如下:(1)研究了TC4钛合金在不同层数冲击下的显微组织演变规律和α相织构演变规律,并总结得出,利用不同冲击面积多层叠加的方式对材料表面进行激光冲击强化处理,可以在材料表面诱导关于晶粒大小的梯度结构:在晶粒细化过程中,当TC4钛合金表面受到一层冲击时,β相内部出现位错和位错缠结,而α相无明显变化;当TC4钛合金表面处受到二层冲击时,α相内部开始出现机械孪晶,β相内部开始出现次生α相;当TC4表面受到三层冲击时,α相内部机械孪晶和β相内部次生α相的密度均增加,晶粒得到显著细化。经过激光冲击强化处理之后,TC4钛合金表面的晶粒尺寸随着冲击层数的增加而减小,晶粒细化效果明显,而其表面α相由于机加工(冷轧)处理留下的基面织构强度与集中程度将随冲击层数的增加而减弱,从而使得其材料表层的疲劳性能得到了一定程度的提高。(2)研究了TC4钛合金在不同层数冲击下的表面残余应力以及不同冲击方式处理下的表面显微硬度的变化,总结得出利用不同冲击面积多层叠加的方式对其表面进行激光冲击强化处理,可以在材料表面诱导关于应力及显微硬度的梯度结构:随着冲击层数的增加,其表面的残余压应力和显微硬度均明显提升,一层激光冲击强化处理可以在TC4钛合金表面诱导780 MPa的残余压应力,硬度由345HV提升至367 HV;经过三层激光冲击强化处理之后,表面残余压应力提升至1012 MPa,表面显微硬度提升至403 HV的;利用不同面积多层叠加的方式对材料表面进行梯度式冲击之后,在n层激光冲击强化处理和(n-1)层激光冲击强化处理区域的交界处有宽约1 mm的硬度影响范围(1≤n≤3)。(3)研究了相同面积多层叠加均匀冲击以及不同面积多层叠加冲击下TC4钛合金的抗疲劳性能和断口形貌特征,对比探究不同冲击方式下的疲劳断裂行为以及断口形貌演变规律,总结分析激光冲击波诱导的表面梯度结构对材料抗疲劳性能的影响:不同冲击方式处理之后,其疲劳断裂方式与其断口位置有关,断口位置处于冲击区域内的为韧性断裂,处于冲击区域外且离冲击区域较远的为脆性断裂,处于冲击区域与未冲击区域交界处或其附近的为混合断裂;利用不同面积多层叠加冲击比相同面积多层叠加均匀冲击的方式更经济有效,不仅提升了材料的疲劳强度,还可以将断口的位置从关键零部件应力集中区域迁移至其他区域,并且可以对裂纹萌生的位置进行定向控制,将其放置在合理可控的位置,从而更好地对关键零部件的失效进行把控。