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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