摘要
深冷激光喷丸（Cryogenic Laser Peening，CLP）作为一种新型表面改性技术，使材料在超低温和超高应变率条件下产生塑性形变，获得较传统室温激光喷丸（Room temperature-laser peening，RT-LP）更高的残余压应力和更优良的微观组织，可有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，从而显著提高材料的疲劳寿命。本文以2024-T351铝合金为研究对象，通过试验研究深冷激光喷丸对微观组织和振动疲劳性能的影响规律，探索深冷激光喷丸延寿机制。通过数值模拟和响应曲面法（Response Surface Methodology，RSM）优化深冷激光喷丸工艺参数，研究工艺参数对残余应力场的影响规律。主要研究内容如下： （1）开展了深冷激光喷丸实验，使用显微硬度计、OM、TEM等试验手段检测了深冷激光喷丸前后试样的显微硬度与微观组织，对比分析了室温激光喷丸和深冷激光喷丸诱导的晶粒尺寸、位错结构与密度和相结构，获得了深度方向上微观组织的梯度分布规律，研究了室温激光喷丸和深冷激光喷丸诱导显微硬度的分布规律，探究了深冷激光喷丸对2024-T351铝合金微观组织的影响规律及其强化机理。 （2）建立了超低温和超高应变率条件下材料的本构模型和冲击波压力模型，基于ABAQUS对深冷激光喷丸诱导的残余应力场进行了模拟和试验验证。基于Design Expert对工艺参数进行了响应面优化，建立了深冷激光喷丸工艺参数与表面平均残余压应力、残余压应力层深度和表面最大残余压应力之间的数学模型，研究了冲击波压力、喷丸次数和喷丸温度对残余应力场的影响规律，得到了优化的工艺参数组合方案。 （3）开展了振动疲劳试验，探究了深冷激光喷丸对材料振动疲劳寿命和疲劳损伤的影响规律，通过SEM观察了疲劳断口形貌，深冷激光喷丸试样疲劳源区的S相分布位置最深，疲劳裂纹扩展区疲劳条带间距为最小，最终断裂区的韧窝最大最深，大韧窝中包含小韧窝；探索了深冷激光喷丸延寿机制和疲劳断裂机理。 结果表明，深冷激光喷丸通过超低温与超高应变率耦合作用下的塑性变形，在2024-T351铝合金中诱导产生晶粒细化和位错等亚结构，增加了残余压应力幅值及其稳定性，对材料产生组织强化和应力强化，有效增加了振动疲劳寿命。
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