采用Nd:YAG激光器进行TC4钛合金与50钢异种材料激光焊接，研究了接头的裂纹扩展与焊缝的微观组织以及物相成分。结果表明，裂纹类型及位置与工艺参数有关。裂纹在焊缝中以穿晶的方式进行扩展，接头断裂为脆性断裂。焊缝中有高碳马氏体的形成，高碳马氏体有中脊存在。焊缝中的Ti-Fe相为TiFe、TiFe2金属间化合物，并且TiFe数量多于TiFe2。高碳马氏体与TiFe、TiFe2金属间化合物的高硬度以及差的韧性与塑性是裂纹萌生与扩展的主要原因。

氢脆具有很强的微观组织敏感性，威胁着各类高强结构材料的安全服役。采用激光-电弧复合焊工艺对BS960E型高强钢进行焊接，并对接头在原位电化学充氢的条件下进行慢应变速率（10^-5 s^-1）拉伸试验，结合微观组织和断裂特征进行分析并对接头的氢脆行为进行研究。结果表明，焊接热循环所形成的富马氏体中的细晶区可以使接头表现出一定的氢脆敏感性，马氏体较大的氢扩散系数和较低的氢溶解度以及氢在晶界上的快速扩散是引起接头对氢脆敏感的主要原因，通过控制焊接工艺参数可抑制焊接热循环所引起的马氏体转变量，能够降低BS960E型高强钢激光-电弧复合焊接头的氢脆敏感性。

采用MTS疲劳试验机对DP980钢激光焊接接头进行了低周疲劳试验,分析了应变-疲劳寿命数据,并利用金相显微镜和扫描电镜进行了组织分析和断裂分析。结果表明,母材表现出最好的抗疲劳性能。当应变幅Δε_t/2≤0.4%时,线能量为80 J/mm的试样表现出较好的抗疲劳性能;当Δε_t/2=0.5%时,三个激光焊接接头的疲劳寿命接近。当Δε_t/2≥0.3%时,母材和DP980钢激光焊接接头经历循环软化阶段、循环饱和阶段和循环软化阶段;当Δε_t/2=0.25%时,母材和DP980钢激光焊接接头依次经历了循环硬化阶段、循环软化阶段、循环饱和阶段和循环软化阶段。DP980钢激光焊接接头的亚临界热影响区是裂纹萌生的主要区域,不同应变幅下的疲劳裂纹扩展区均有疲劳条带,疲劳断裂的方式是穿晶断裂。

针对钢轨长期使用后出现的磨损问题，通常采用激光熔覆技术对损伤表面进行修复。本文以U75V钢轨为基体材料，对多层多道激光熔覆成形过程中的工艺参数进行优化研究。结果表明：U75V钢轨激光熔覆修复成形的最佳工艺参数为激光功率900 W、熔覆速度600 mm/min、送粉速度7.58 g/min、搭接率58.8%、Z轴抬升量0.6 mm、预热温度200 ℃。多层多道熔覆区多为等轴晶，热影响区中存在针状马氏体组织。熔覆区的硬度为480 HV，与母材最大硬度430 HV相差不大；热影响区受马氏体组织的影响，硬度为母材的2倍左右；熔覆层的耐磨性略低于母材。

对5 mm厚T91马氏体耐热钢板激光填丝焊工艺进行研究, 分析了热输入对焊缝成型、微观组织、内部气孔数量的影响规律, 并对最佳参数焊缝的力学性能进行了检测。结果表明, 采用同质焊丝焊接T91钢, 焊后对焊缝进行热处理, 随着热输入的增加, 焊缝宽度变大, 焊缝内部气孔数量减少, 晶粒度变化不明显, 焊缝区与热影响区组织均为回火马氏体; 采用功率5 600W、速度1.2 m/min、送丝速度1.2 m/min的参数焊接可获得内部基本无气孔的焊缝, 焊缝显微硬度300 HV, 抗拉强度697 MPa, 断裂在母材, 180°正弯与背弯曲均未出现裂纹, 20/0/-20℃下冲击性能均高于母材。

针对30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A高强钢的修复问题,采用30CrMnSiA合金粉末在两种基体上进行多层多道激光熔覆,研究了熔覆层、基体、热影响区的微观组织和力学性能。对于30CrMnSiA基体,其熔覆层组织主要为索氏体;随着层数增加,熔覆层中的索氏体减少,马氏体增多,盖面层主要为马氏体组织;热影响区组织主要为马氏体和少量块状铁素体,其中块状铁素体为原基体中铁素体的未熔相。对于30CrMnSiNi2A基体,其熔覆层组织主要为索氏体,随着层数增加,马氏体含量逐渐增加,但仍以索氏体为主;热影响区组织主要为索氏体和粗晶马氏体。在力学性能上,30CrMnSiA基体上熔覆层的硬度大于30CrMnSiNi2A基体上熔覆层的硬度,热影响区软化现象不明显,而30CrMnSiNi2A热影响区软化现象明显;30CrMnSiA基体上熔覆层试样的抗拉强度为基体的90%以上,且其冲击韧性、延伸率均优于基体;30CrMnSiNi2A基体上熔覆层试样的冲击韧性优于基体,但其抗拉强度、延伸率则大大低于基体。实验结果表明:30CrMnSiA合金粉末适合用于30CrMnSiA钢的激光熔覆修复,而对于30CrMnSiNi2A钢,则需要进一步减少热输入,以减小热影响区的宽度,减少粗晶马氏体的生成以及多层熔覆过程中马氏体的分解。

利用连续光纤激光器进行了800 MPa级和1000 MPa级双相钢的激光拼焊试验,研究了马氏体含量对双相钢焊接接头组织和性能的影响。结果表明,不同马氏体含量双相钢的焊接接头均由全马氏体区和不完全相变区组成。两种焊接接头不完全相变区的宽度和显微硬度的降幅较小,其拉伸断裂位置均位于母材。1000 MPa级双相钢焊接接头在杯突试验中沿不完全相变区直接开裂并扩展,杯突值达到母材的85.0%;800 MPa级双相钢焊接接头则垂直于全马氏体区方向开裂,杯突值达到母材的91.7%,成形性能好。

为了获得高强度、高韧性、耐蚀性好的铁基合金涂层,在Q235基体上激光熔覆了含微量硼元素的低碳、低合金马氏体/铁素体双相不锈钢(M/Fss)合金粉末。研究结果表明,所制备的激光熔覆层表面具有金属光泽,内部无夹杂、气孔等缺陷。熔覆层由马氏体、铁素体、主要沿枝晶间呈均匀不连续分布的硼碳化物M(B,C)和少量在枝晶内析出的M₂₃(B,C)₆组成(M为Fe、Cr等)。熔覆层力学性能优异,平均显微硬度为431.9 HV,抗拉强度为1352 MPa,延伸率为12.3%,且耐腐蚀性能优于1Cr13马氏体不锈钢。这一新型的M/Fss涂层可广泛应用于同时对力学性能和耐蚀性能要求高的工作环境下的铁基材料表面改性或再制造。

采用4 kW光纤激光器对厚度为4.5 mm的热轧700 MPa级纳米析出强化钢进行激光相变硬化处理, 主要研究激光功率、扫描速度对相变区组织、硬度及耐磨性的影响。结果表明, 激光相变区呈“月牙形”, 主要由三个部分组成, 由外至内依次是表面微熔区、相变硬化区和过渡区, 三个区域的组织依次分别为马氏体＋粒状贝氏体、马氏体和细小马氏体＋铁素体。激光相变硬化处理后相变硬化区和过渡区(统称“硬化层”)硬度得到提高, 平均硬度比基体提高了40～80 HV0.3。随着激光功率的增加或扫描速度的减小, 硬化层深度逐渐增加, 功率为3.5 kW时硬化层深度达到1.1 mm。当扫描速度为20 mm/s, 激光功率在2.0～3.5 kW之间时, 激光相变硬化后试样的耐磨性较基体提高了29%～44%。研究结果表明激光相变硬化可显著提高实验钢的表面硬度和耐磨性能。

马氏体具有四方的结构, 其四方性随含碳量的增加而增大, 点阵发生扭曲, 当含碳量比较高时, 原来α-铁晶体的晶面如（110）、（200）、（211）、（220）等的衍射线条分解成为双重线（101-110、002-200、112-211、202-220）。当含碳量降低时, 双重线非常靠近, 形成了一条宽的线带, 使得马氏体晶格参量的测量十分困难。本文利用每对双重线中的多重性因素的变化特点（如101为8,110为4,002为2,200为4,112为8,211为16等）提出了低碳马氏体晶格参量的测量方法。