接触疲劳是金属零件普遍存在的一种疲劳破坏形式,常见于轴承和轮轨等具有接触运动的结构中。接触疲劳破坏的产生往往和疲劳裂纹有关,随着疲劳裂纹的扩展生长,疲劳破坏程度逐渐变大,加剧了安全隐患,因此提高零件抗接触疲劳能力在实际生产应用中至关重要。接触疲劳属于微动疲劳,研究表明,材料表层的高幅残余压应力能够有效改善零件的微动疲劳性能。激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种能够改善材料表面强度及机械性能的新型表面处理技术,通过在材料表面产生高幅残余压应力来提高材料表面的抗疲劳能力,并抑制疲劳裂纹的萌生。目前国内外少有关于激光冲击强化对材料接触疲劳性能的影响方面的研究,本文以316不锈钢为研究对象,研究了激光冲击强化对其滚动接触疲劳性能的影响,主要研究内容如下:(1)对316不锈钢分别进行了能量为3J、4J、5J和6J的激光冲击强化,然后对试样进行了表面机械性能测试试验,结果表明:激光冲击强化使316不锈钢表面产生塑性变形,粗糙度和硬度均有所提高,且激光能量越大,表面粗糙度和硬度就越大;随着深度的增加,显微硬度增量变小,并且呈梯度下降,同时影响层深度也随着激光能量的提高而增大。当冲击能量为6J时,影响层深度最大,可达到0.9 mm,硬度提高了20%;残余压应力值达到了最大值-280MPa。实验结果证明,激光冲击316不锈钢表面硬度和残余应力的提高是改善其接触疲劳性能的重要因素。(2)分别对316不锈钢未冲击试样、激光冲击强化试样和激光冲击并抛光的试样进行了滚动接触疲劳试验。疲劳试验后,绘制并对比未冲击和激光冲击试样的应力—寿命(S—N)曲线,发现激光冲击后试样的滚动接触疲劳寿命显著增加,材料表面抛光处理对其接触疲劳寿命影响不大。未冲击试样在接触应力为848 MPa和708 MPa时,其疲劳寿命分别为47164次和107800次,而激光冲击后,在相同应力条件下试样的疲劳寿命分别增长了2.1%和15%,说明随着疲劳应力的增大,激光冲击对316不锈钢疲劳寿命的增益效果逐渐降低。(3)对疲劳失效试样的表面微观形貌进行了分析,结果表明:试样发生接触疲劳破坏后表面产生疲劳裂纹并发生扩展,此时该区域材料发生剥落,当其他裂纹扩展至此剥落区域时会产生“二次剥落”。材料发生接触疲劳破坏时,不同的疲劳失效区域互相影响并相互渗透,能引起新的疲劳破坏,从而产生更严重的表面缺陷。激光冲击后316不锈钢接触表面的疲劳破坏程度减轻,表层的不规则剥落减少,点蚀坑数量降低,疲劳裂纹长度减小,并且冲击能量越大,抗疲劳破坏的效果越好。(4)将有限元分析和实验研究相结合,模拟研究了激光冲击产生的残余压应力场的分布规律和其对滚动接触运动应力场的影响,结果表明:激光冲击强化能够在材料表面产生深度为1mm的残余压应力层,当激光能量为6J时,模型内部的残余压应力达到了-500MPa。对模型表面滚动接触的模拟可得,未冲击模型滚动接触产生的mises应力值为690 MPa,激光冲击模型的mises应力值与未冲击模型相比减小了29.6%,根据von mises准则,激光冲击延缓了模型表面疲劳的发生时间,提高了材料的抗接触疲劳性能。综上所述,激光冲击能够在31不锈钢表层产生残余压应力,改善其表层机械性能,减小接触运动中产生的最大mises应力值,延缓疲劳裂纹的萌生和扩展,有效提高了材料的抗接触疲劳性能。