借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening, μLSP)过程的有限元模型, 对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟, 分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明, 冲击波作用到纯铜表面后, 极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍, 并在27 ns时达到位移最大值约0.85 μm。随着冲击波压力的加载, 纯铜产生加工硬化, 塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处, 分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力, 最大值约为199 MPa, 影响深度达40 μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力, 产生“残余应力洞”。同时, μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致, 从而验证有限元模型的合理性与可靠性。

为了改善冷喷涂纯铝涂层表面形貌，结合激光冲击强化技术与冷喷涂技术，使用低压冷喷涂设备，以压缩空气作为介质，在镁合金表面上制备了一层纯铝涂层，研究了冷喷涂纯铝涂层在不同激光冲击次数作用下的表面形貌、粗糙度、物相、残余应力和显微硬度的变化。试验结果表明，激光冲击后涂层表面形貌趋于平整，激光冲击1、2、3次后的表面粗糙度相较于原始涂层分别降低了30.67%、50.96%、58.53%，但粗糙度降幅逐渐下降，残余应力状态由拉应力逐渐转变为压应力，涂层表面显微硬度分别提高了16.22%、27.46%、34.49%，单次的增幅呈现下降趋势。首次激光冲击对涂层表面的作用效果最为明显，后续冲击的作用效果不断衰减，总体作用效果随激光冲击次数的增加而不断提升。

在课题组实验室自主研发的凸轮式多碰试验机上, 对0Gr18Ni9Ti镍基涂层材料进行低应力多碰冲击试验, 对不同冲击频率下材料的累积塑性变形、显微组织进行对比分析。试验结果表明: 冲击频率越大, 累积塑性变形量越大, 相同层深处显微组织结构细化越明显; 但随冲击频率按比例增大, 塑性形变却越来越缓慢, 当冲击频率增大到一定值时, 将不再发生塑性变形, 显微组织结构的变化也越来越小。冲击频率是研究0Gr18Ni9Ti镍基涂层材料低应力多碰累积塑性变形机理的重要因素。

利用光纤激光器对DC01镀锌钢板和SUS304奥氏体不锈钢薄板进行了激光非熔透搭接焊实验、反变形焊接实验,测得了SUS304钢板(下板)表面微凸起的变形量和变形轮廓,研究了非熔透焊后SUS304钢板表面微凸起变形产生的机理。研究结果表明:角变形是SUS304钢板表面微凸起产生的重要原因;通过反变形法矫正角变形可降低微凸起的最大高度,但微凸起区域的塑性凸起变形仍存在;焊接过程中的角变形和热膨胀引起的塑性变形是非熔透搭接焊下SUS304不锈钢板无焊缝一侧微凸起变形的主要原因。

激光冲击强化技术(LSP)是一种新型的激光应用表面处理技术。与传统表面改性技术相比，激光冲击强化技术能给材料带来更深的残余应力层，使材料表层晶粒细化甚至出现纳米晶，同时大幅提高材料的疲劳寿命。利用高能激光辐照约束层材料(黑漆、黑胶带或铝箔)，约束层材料在瞬间熔融气化并产生高温高压的等离子体。等离子体冲击波是一种爆轰波，可以通过C-J模型计算冲击波的峰值压力。等离子体冲击波在约束层(水、光学玻璃)的约束下向材料内部传播，其压力远远超过了材料的弹性屈服极限，材料经历了弹性-塑性变形，最终材料表面形成稳定的残余应力场并发生微弱的塑性变形。本文介绍了激光冲击强化技术的研究发展历程，在此基础上对该技术发展方向进行了展望。

为研究不同边界约束条件对薄板多点激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响, 采用数值模拟和试验结合的方法对7075铝合金薄板激光喷丸处理进行研究, 对比分析了板料在底部全约束和两端夹持两种边界约束条件下的变形形貌和残余应力分布。结果表明: 激光喷丸后, 板料冲击区域均产生微凹坑; 底部全约束的板料经激光喷丸后, 未发生整体变形, 仍然保持平整状态, 而两端夹持的薄板喷丸区域发生了整体向上的凸起变形。两种边界约束条件下, 最大残余压应力均出现在板料的冲击表面; 底部全约束时的最大残余压应力为299.0 MPa, 大于板料两端夹持时的251.6 MPa。在厚度方向上, 其残余应力分布也存在着明显差异, 底部全约束时, 厚度方向上的残余应力分布形式为“压应力-拉应力”, 而两端夹持时的分布形式为“压应力-拉应力-压应力”。

多数零件的失效行为，并不是因为零件受到超过其屈服极限的力冲击作用而产生的，而是在小于其屈服应力的载荷反复作用下产生的，因此如何有效提高零件抵抗低应力多冲碰撞能力具有重要的现实意义。通过对0Cr18Ni9试件和具有Ni基激光熔覆涂层的0Cr18Ni9试件进行多碰试验，采用网格坐标法记录材料表面的塑性变形情况。试验结果表明，在远低于材料屈服强度的载荷多次碰撞下，0Cr18Ni9试件和具有Ni基激光熔覆涂层试件都发生可测的塑性变形，且后者的变形量远小于前者。因此对零件采用先进涂层技术，是一种提高零件抗多冲碰撞能力的有效途径。

激光冲击强化利用激光冲击波力学效应可提高金属材料力学性能，现有实验手段难以测量波后动态物理参量、局部动态力学量以及微观组织动态运动过程。采用分子动力学方法，在300 K初始温度下对纯钛进行冲击模拟，观察到冲击加载下冲击波在纯钛中传播的动态双波结构，得到了加载过程中的力学量动态变化以及力学作用下孪晶的动态生长过程。塑性变形过程中，由于位错的塞积和释放，正应力上升的同时剪切力和流变应力不断下降，形成平行孪晶栅。在受冲击表面观察到了极薄的非晶层，其形成与超高应变率塑性变形和动态再结晶相关，且孪晶和非晶层结构均与透射电子显微镜结果吻合较好。

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力, 利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式, 并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明, 获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa～1.7GPa, 随着载荷的增加, 残余应力增加, 当载荷在1.4GPa～1.6GPa时, 最大残余压应力为125MPa左右; 冲击载荷在1.8GPa时, 出现轻微的“残余应力洞”现象; 而在大于1.9GPa时, 均出现明显的“残余应力洞”现象; 载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。

激光冲击强化利用离子体力学效应在金属表面形成较深的残余压应力层，细化表层晶粒，大幅度提高金属抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀等机械性能。目前现有实验手段很难获取超高应变速率下塑性变形过程中微观结构演变的动态过程。本文采用LAMMPS 软件对在2×107 s-1应变率，15 ns的加载时间，300 K 温度下的多晶铜塑性变形行为进行分子动力学模拟，获得超高应变速率力学效应下多晶铜塑性变形微观结构的演变过程。超高应变率下力学效应作用下，形变孪晶是中层错能金属亚微米晶粒细化的主要变形方式。