激光淬火是一种新兴的表面处理技术,已展现出了替代传统表面淬火技术的潜力。激光淬火在材料表面构筑出的硬化层,可用两个关键特征描述其性能,即:硬化层深度和微观组织。然而,激光淬火硬化层的检测与表征方法仍停留在传统的有损阶段,即金相法和硬度法。有损检测方法效率低,具有破坏性,不适用于复杂、大型、高成本的零件,且无法实现全覆盖检测。目前,硬化层性能的无损检测与表征技术还非常欠缺。激光超声表面波技术具有宽频带、非接触、无损的优点,可用于检测与表征激光淬火硬化层。因此,本文旨在基于激光超声表面波技术建立激光淬火硬化层的无损表征方法。具体研究内容包括以下几方面:首先,介绍了基于烧蚀效应和热弹效应的两种激光超声激发机制;推导了表面波的波动方程和表面波在硬化层-基体的双层模型中的频散方程,并介绍了表面波频散曲线的反演方法;利用有限元法求解了脉冲激光在块状材料中激励出的超声场,得到了表面波的速度并分析了其传播特性。其次,建立了基于弹性模量变化的激光淬火硬化层-基体双层模型,提出了求解激光淬火硬化层深度的理论方法。利用有限元方法仿真了双层模型的正、反常频散效应,并验证了硬化层深度计算方法的有效性。再次,将45钢及Cr12Mo V作为实验研究对象,对两种材料的试样进行了激光淬火处理,并以金相法和硬度法研究了硬化层微观组织及硬化层深度。结果表明:在微观组织方面,激光淬火导致两种材料淬火中心均发生了马氏体相变,晶粒得到细化,搭接区均出现回火以及颗粒状碳化物析出;利用金相法和硬度法分别获得了两种材料激光淬火的有效硬化层深度及总硬化层深度,但两种方法的结果在总体变化趋势及具体数值上均有明显差异,说明这两种方法存在局限性,可作为参考,但不能作为绝对标准。最后,提出了基于双光源激光超声扫描的无损检测方法,表征了激光淬火硬化层。对激光淬火硬化的45钢及Cr12Mo V在全光学条件下进行扫描,通过对表面波频散曲线的逆求解,测量了硬化层深度分布信息,与金相法和硬度法结果比较,证明了激光超声法测量结果的有效性;利用表面波声衰减大小,结合金相结果,发现淬火中心马氏体相变使表面波衰减变小,而搭接区回火碳化物析出使表面波衰减变大。频散曲线逆求解法测量了激光淬火硬化层深度,而声衰减法解决了表层组织变化问题。结合这两种方法,基于一次实验的扫描数据,对激光多道次淬火钢材进行了较为全面的无损评价。通过以上研究,验证了本文提出的利用激光超声表面波无损检测与评价激光淬火硬化层的可行性,为激光淬火硬化层提供了一种快速有效的无损检测方法,具有较好的工业应用价值。