激光冲击强化(LSP:Laser Shock Processing)作为一种新型的表面强化技术,具有高压(GPa～TPa)、超快(几十纳秒)、超高应变率(107～108 S-1,比爆炸成形高出100倍)等显著特点,广泛应用在金属结构件的表面改性上。断口是材料断裂后形成的自然表面,如实反映金属结构件从裂纹萌生、裂纹扩展,直到断裂分离的断裂动态变化过程,并且断口形貌特征还是断口分析的主要依据。研究激光冲击强化前后金属结构件的断口形貌能够获得激光冲击强化对金属结构件断裂性能的影响规律,建立断口形貌与金属结构件机械性能之间强关联关系。本文从激光冲击路径、机械性能(残余应力、表面粗糙度、硬度)、断口形貌以及疲劳拉伸性能这几个方面对激光冲击强化金属结构件力学性能及微观断口开展研究,取得了如下主要结论和创新性工作:　　 (1)开展了不同冲击路径下激光冲击对航空铝合金表面粗糙度、疲劳性能和断口形貌的研究,获得了合适的激光冲击路径和相应的工艺准则:　　 对航空铝合金7050-T7451采用两组双面激光冲击路径,即双面激光冲击两路和双面激光冲击四路(一路激光光斑的搭接率为50％,路与路之间不搭接)。发现双面激光冲击四路的表面粗糙度总体上比两路的要小,基于Locati阶梯式加载法进行疲劳测试,双面激光冲击四路的疲劳寿命提高。用扫描电镜观察发现,双面激光冲击四路的疲劳裂纹源与试样表层的距离更大,断口形貌更光亮细致；在疲劳裂纹稳定扩展区,双面激光冲击四路的解理台阶的层次和疲劳条带的数目要多得多、辉纹间距更小,出现了更多的二次裂纹,断口韧窝也增多。研究结果表明:双面激光冲击四路能够更明显地降低表面粗糙度、抑制表面裂纹产生和降低疲劳裂纹扩展速率,从而提高铝合金的疲劳寿命。　　 (2)研究了单面与双面激光冲击处理两种冲击路径下航空铝合金残余应力的分布,获得残余应力分布对机械性能的影响规律:　　 采用X-350A残余应力测试仪,测量两种路径下LY2铝合金试样深度方向的残余应力,建立残余应力和疲劳性能之间的关系。研究结果表明:残余压应力层出现在LY2铝合金试样表层,单面激光冲击两次的疲劳寿命明显高于单面单次冲击的疲劳寿命。双面激光冲击处理薄件的疲劳寿命比未处珲试样高,但是低于单面激光冲击试样,疲劳寿命下降。金属结构件的疲劳性能依赖于表面和内部残余应力的分布。采用双面激光冲击强化对厚板进行处理效果会好。　　 (3)研究了单面与双面激光冲击对金属结构件机械性能和断口形貌的影响,建立断口形貌与机械性能之间的关系模型:　　 以橇装式液化天然气(LNG)汽车加气站的储罐为对象,开展了激光冲击强化提高不锈钢激光焊接接头机械性能的影响研究。对ANSI304不锈钢厚板激光焊接试样进行拉伸试验,得到不同激光冲击路径处理对厚板焊缝机械性能的影响,用扫描电镜(SEM)观察试样断口形貌的变化。研究结果表明:经单面激光处理后,激光焊接试样的屈服强度是240.74 MPa,拉伸强度是683.10 MPa。双面激光处理的激光焊接试样的屈服强度和拉伸强度分别为是318.18 MPa和763.10 MPa。双面激光冲击处理后厚板焊缝的机械性能明显优于单面激光冲击试样。与双面激光冲击后焊缝断口形貌相比,单面激光冲击处理的焊缝在尖角处有分层现象和少许裂纹。双面激光处理后的韧窝更多、更深。双面激光冲击处理后ANSI304厚板不锈钢焊缝的机械性能明显优于单面激光冲击处理试样的机械性能。