激光喷丸强化是一种利用脉冲激光与物质相互作用产生的力学效应对金属材料进行表面处理的技术,其具有高压（GPa^TPa）、超快（几十纳秒）、超高应变率(10⁷¹0⁸S^-1,比爆炸成形高出100倍)的显著特点,目前已广泛应用于金属改性上,然而目前对激光喷丸过程中的微凹坑效应、微凹坑引起的残余应力分布、表面粗糙度变化、微凹坑累积的大变形及激光喷丸后的效果评价仍然缺乏统一的认识和深入的理解。本文针对激光喷丸强化TC4钛合金表面微凹坑效应引起的表面粗糙度及残余应力变化等内容开展了一系列基础研究,为激光喷丸强化技术的工业应用提供了依据。论文取得了下列创新研究成果:1、构建了单点激光喷丸作用下材料表面凹坑深度的理论计算模型,分析了单点激光喷丸作用下材料表面凹坑形状及尺寸演变机理。基于弹塑性力学、冲击波传递等理论,从激光喷丸过程中材料的弹塑性变形出发,建立了单光斑激光喷丸微凹坑理论模型。通过对激光功率密度、脉冲宽度及喷丸次数等关键参数的分析与实验研究,获得了不同激光工艺参数下凹坑形状及尺寸的变化规律,并对单点激光喷丸作用后的材料表面残余应力、凹坑深度及影响范围、表面粗糙度进行了对比分析,获得了凹坑形状及尺寸对表面残余应力、表面粗糙度的影响规律。2、分析了高应变率效应对激光冲击波动态传播特性的影响,阐述了多次激光喷丸后“饱和效应”的产生机理,研究了激光喷丸过程中冲击波传递特性对处理效果的影响。针对冲击波压力的瞬时传递过程,采用一维应变波理论及Johnson-Cook本构模型,研究了激光喷丸过程中材料内部冲击波传递特性及影响因素,分析了多次作用过程中高应变率效应对激光冲击衰减及作用效果的影响,阐述了激光喷丸“饱和效应”现象的产生是由于高应变率效应使得多次作用过程中冲击波衰减速率减慢,从而增加处理效应并达到饱和。3、提出了激光喷丸后表面应力集中系数评价模型,研究了表面粗糙度及残余应力表面质量参数对应力集中系数的影响。分析了多光斑激光喷丸处理后表面凹坑体积转移规律,对多光斑处理后表面微凹坑形貌及残余应力分布进行了详细对比分析。构建了表面质量评价模型,模型包含表面形貌参数_aR,_yR,_zR,?,残余应力参数?_s以及材料特性参数₀a,能够较为全面的反映激光喷丸处理工艺对材料表面应力集中参数的影响,进而反映对材料疲劳强度的影响;基于应力集中系数模型对叶片激光喷丸处理效果进行评价,结果表明激光喷丸处理后表面应力集中系数均明显减小,叶片边缘应力集中系数比叶片表面中心大,叶片根部应力集中系数比叶片前缘大,叶片根部最易发生疲劳断裂;评价结果同时表明激光喷丸处理增加了叶片表面粗糙度,但由于引入了残余压应力,激光喷丸工艺使得叶片根部边缘的有效应力集中系数低于1,能够有效抑制叶片根部边缘疲劳裂纹的萌生,提高叶片的使用寿命。4、基于微凹坑效应对激光喷丸强化过程中材料变形规律的探讨分析,揭示了激光喷丸微凹坑效应诱导整体变形的机理。研究发现大规模激光喷丸处理后,激光喷丸微凹坑效应诱导板料产生正反两种变形方式。当激光功率密度较大或者板料厚度较小时,板料会发生正向变形;当激光功率密度较小或厚度较大时,板料会发生反向变形。通过对激光功率密度、板料厚度及作用等关键参数的分析与实验研究,获得了不同激光工艺参数下板料变形的规律,并结合微凹坑体积转移规律阐述了板料整体变形的机理。板料的不同变形方式是由于微凹坑转移体积方向不同所致,板料正向变形时,体积向背面转移;板料发生反向变形时,体积沿着材料表面向着自由端转移。综上所述,本文围绕激光喷丸微凹坑效应,构建了单点激光喷丸作用下材料表面凹坑深度的理论计算模型;结合冲击波传递特性阐述了“多次饱和效应”产生机理;研究了激光喷丸微凹坑效应对表面质量的影响,并提出了合理评价模型;在此基础上,揭示了激光喷丸微凹坑效应诱导整体变形的机理,为激光喷丸技术的工程应用及作用效果优化提供了理论基础。