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第1章 概述 1

1.1 金属部件疲劳断裂与表面强化方法 1

1.1.1 疲劳的危害 1

1.1.2 疲劳破坏的过程和抗疲劳制造 3

1.1.3 表面强化方法 4

1.2 激光冲击强化基本原理与特点 6

1.2.1 激光冲击强化基本原理 6

1.2.2 激光冲击强化技术优势 7

1.3 激光冲击强化理论和技术发展历程 7

1.3.1 国外研究发展概况 8

1.3.2 美国应用发展概况 11

1.3.3 我国的发展概况 17

1.4 激光冲击强化中的科学问题 20

1.4.1 高压冲击波作用下材料的动态响应 20

1.4.2 高能激光与材料的相互作用 20

1.4.3 材料激光冲击强化中的多尺度力学问题 20

1.5 激光冲击强化中的技术问题 21

1.5.1 成套设备与综合控制技术 21

1.5.2 强化过程在线监控与质量保证 22

1.5.3 特殊部位强化关键技术问题 23

1.6 本书的主要内容 23

参考文献 24

第2章 激光诱导等离子体冲击波原理与特性 28

2.1 激光与物质的相互作用基本原理 28

2.1.1 激光辐照效应 28

2.1.2 材料对激光的吸收 29

2.2 激光等离子体基本原理与特性 31

2.2.1 等离子体概念 31

2.2.2 激光等离子体产生的时间尺度 35

2.2.3 激光辐照形成等离子体的过程 36

2.2.4 激光在等离子体中的吸收 38

2.2.5 激光等离子体屏蔽效应 39

2.2.6 激光等离子体的诊断 40

2.3 激光诱导等离子体冲击波的模型与仿真 46

2.3.1 激光维持的燃烧波和爆轰波 46

2.3.2 爆轰波的C-J起爆模型及初始参数计算 47

2.3.3 一维等离子体爆轰波模型研究概况 50

2.3.4 约束条件下爆轰波二维辐射膨胀模型 52

2.3.5 基于Fluent的模型仿真与分析 56

2.4 激光诱导等离子体冲击波压力测试 58

2.4.1 冲击波特性测试的方法 58

2.4.2 水约束层对冲击波压力的影响 63

2.4.3 功率密度及波长对冲击波压力的影响 64

2.4.4 吸收保护层对冲击波压力的影响 66

参考文献 68

第3章 激光等离子体冲击波在金属材料和空气中的传播 71

3.1 冲击波作用下固体的基本方程式 71

3.1.1 守恒方程 71

3.1.2 固体材料的物态方程 76

3.2 金属材料中的冲击波及其对材料作用过程 82

3.2.1 冲击压缩条件下材料的强度特性 82

3.2.2 激光冲击作用下材料的应变率 84

3.2.3 弹性波和塑性波 85

3.2.4 冲击波对金属材料的作用过程 89

3.3 金属材料中冲击波的反射与衰减 92

3.3.1 金属材料中冲击波的反射 92

3.3.2 金属材料中冲击波的衰减 95

3.4 激光等离子体声波在空气中的传播 96

3.4.1 理想气体中冲击波基本关系 96

3.4.2 激光等离子体声波的产生与发展 100

3.4.3 激光等离子体声波特征测试与分析 102

参考文献 109

第4章 激光冲击金属材料应力应变场数值仿真 111

4.1 引言 111

4.2 数值仿真基本方法 113

4.3 高应变率条件下材料的动态本构模型 116

4.3.1 常用动态本构模型 117

4.3.2 材料动态本构模型修正 118

4.3.3 模型参数获取方法 121

4.4 板材激光冲击仿真与分析 122

4.4.1 冲击波传播规律 122

4.4.2 残余应力场的形成机制及分布特点 130

4.4.3 不同冲击参数下激光冲击强化仿真 135

4.4.4 激光冲击残余应力洞形成机制与分布特点 151

4.5 构件激光冲击仿真分析和设计流程 153

4.5.1 模拟叶片激光冲击强化仿真分析 153

4.5.2 钛合金叶片的数值仿真分析 158

4.5.3 基于数值仿真的激光冲击强化设计 169

参考文献 171

第5章 激光冲击金属材料的残余应力测试与分析 173

5.1 金属材料残余应力的测试方法 173

5.1.1 X射线衍射法 173

5.1.2 结合光栅应变花的盲孔法 175

5.2 激光冲击金属材料的残余应力场特征 180

5.3 强化参数对残余应力场的影响 181

5.3.1 激光功率密度对残余应力场的影响 181

5.3.2 光斑大小对残余应力场的影响 186

5.3.3 脉宽对残余应力场的影响 186

5.3.4 强化次数对残余应力场的影响 188

5.3.5 约束层、吸收保护层对残余应力场的影响 189

5.3.6 光斑搭接率对残余应力场的影响 190

5.3.7 激光斜冲击角度对残余应力场的影响 194

5.3.8 双面对冲下残余应力场分布情况 196

5.4 激光冲击强化残余应力均匀性分析 198

5.4.1 光斑形状与强化均匀性 198

5.4.2 光斑布置方式和强化均匀性 200

5.5 激光冲击强化后金属材料残余应力热松弛 204

5.5.1 马氏体不锈钢激光冲击强化残余应力热松弛 204

5.5.2 镍基高温合金激光冲击强化残余应力热松弛 204

参考文献 205

第6章 激光等离子体冲击波表面纳米化 207

6.1 引言 207

6.2 激光等离子冲击波表面纳米化微观组织特征 208

6.2.1 激光冲击钛合金表面纳米化 209

6.2.2 激光冲击镍基高温合表面纳米化 215

6.2.3 激光冲击马氏体不锈钢表面纳米化 217

6.2.4 304不锈钢表面纳米化 219

6.3 激光诱导等离子体冲击波表面纳米化机制 221

6.3.1 位错的形成 223

6.3.2 纳米晶的形成 228

6.3.3 激光等离子冲击波表面纳米化参数范围 228

6.4 激光等离子冲击波表面纳米晶热稳定性 230

6.4.1 钛合金表面纳米晶热稳定性 230

6.4.2 镍基高温合金表面纳米晶热稳定性 232

6.4.3 激光冲击表面纳米晶的热稳定性机理 233

参考文献 239

第7章 激光冲击提高金属材料疲劳性能的作用及机制 241

7.1 激光冲击金属材料表层硬化 241

7.1.1 钛合金表面硬化 241

7.1.2 镍基合金表层硬化 244

7.1.3 不锈钢表层硬化 244

7.2 激光冲击提高金属材料疲劳性能的试验结果 245

7.2.1 振动疲劳试验考核方法 245

7.2.2 激光冲击提高钛合金疲劳性能 247

7.2.3 激光冲击提高镍基合金疲劳性能 254

7.2.4 激光冲击提高不锈钢疲劳性能 263

7.2.5 激光冲击提高铝合金疲劳性能 268

7.2.6 激光冲击强化提高钛合金叶片抗外物打伤性能 269

7.3 表面纳米化和残余压应力的复合强化机制 274

7.3.1 表面纳米化提高疲劳强度机制 275

7.3.2 残余压应力提高疲劳强度机制 278

参考文献 281

第8章 激光冲击强化应用技术 283

8.1 激光冲击强化的基本过程 283

8.2 金属材料激光冲击强化应用规范 285

8.2.1 金属材料激光冲击强化参数范围 285

8.2.2 金属材料激光冲击强化疲劳强度提高的范围 285

8.2.3 激光冲击强化质量检验方法 286

8.3 特殊部件（位）激光冲击强化工艺技术 289

8.3.1 薄壁叶片激光冲击强化工艺技术 289

8.3.2 小孔孔边激光冲击强化技术 293

8.3.3 叶片／盘榫槽部位激光冲击强化技术 295

8.4 激光冲击强化复合修复技术 297

8.4.1 激光修复技术 297

8.4.2 激光焊接／熔覆与冲击复合修复技术 304

8.5 激光冲击与表面扩散渗入复合技术 312

8.5.1 激光冲击与渗铝复合处理 313

8.5.2 激光冲击与渗氮复合处理 319

8.5.3 激光冲击与渗碳复合处理 321

8.5.4 激光冲击与表面扩散渗入复合技术机理 323

参考文献 327

第9章 激光冲击强化成套设备技术 330

9.1 激光冲击强化成套设备组成与通用设备 330

9.1.1 激光冲击强化成套设备组成 330

9.1.2 高功率脉冲激光器 330

9.1.3 机器人 334

9.2 吸收保护层自动涂覆／去除与外光路技术 335

9.2.1 吸收保护层自动涂覆／去除装置 335

9.2.2 外光路技术 337

9.3 激光冲击强化控制与监控技术 341

9.3.1 控制系统设计 341

9.3.2 强化路径规划控制与定位控制技术 347

9.3.3 激光冲击过程监控技术 349

参考文献 356

索引 358