激光冲击强化(LSP)是利用激光产生的等离子体冲击力学效应对材料的表面进行强化,相较于传统热处理工艺,LSP利用高能激光与靶体材料之间的相互作用是物理过程,不仅对环境友好、对材料表面粗糙度影响较小、容易操作控制,而且还可以在材料内部引入量级更大的残余压应力,因此被广泛应用于提高金属材料的抗疲劳、耐磨、抗腐蚀等性能。滚动接触疲劳常见于多轴循环载荷控制下的机械构件,在车轮损伤中占比很高,但选用LSP表面强化工艺去改善材料的滚动接触疲劳性能,目前很少有人研究。针对LSP表面强化工艺对材料的力学性能具体造成怎样的影响,材料力学性能的区别是否会造成滚动接触疲劳性能的差异,以及造成这些差异的机理这三个问题,本文的主要研究内容如下:为了解激光冲击强化对ER8钢的强化规律,通过光学显微镜观察、XRD测试、硬度测试等方法,表征了强化后材料的力学性能。通过组合不同激光功率密度和表面涂覆层材料,实现获得不同冲击峰值压力。经试验研究发现,ER8材料存在硬度饱和现象,当表面涂覆材料为玻璃和铝箔的组合时,冲击功率密度如果大于3.4GW/cm2,表面硬度将不随激光功率密度增大而产生明显的变化,此时相对于原始材料,表面硬度值提升了 20%左右。激光冲击强化虽然可以强化材料表面,在材料的浅表层(影响区厚度约为1mm)引入了 GPa量级且有分布的残余压应力,但并未改变材料的微观结构。通过双盘对滚试验,对比了 LSP对材料滚动接触疲劳性能造成的差异。未经过强化处理的试样,疲劳失效时间明显短于强化后的试样。材料失效后,未经强化处理的试样表面留有较浅的疲劳坑,车轮试件浅表层材料有明显的塑性流动和晶粒细化现象,横截面处有较厚的呈现纤维状的组织结构。对失效后试样内部裂纹进行统计分析,发现强化后试样内部的裂纹长度更长,角度更大。基于线弹性断裂力学,根据实测残余应力,利用ABAQUS有限元仿真软件,研究均布残余应力和梯度分布的残余应力对复合裂纹扩展速率的影响。结果发现残余压应力对应力强度因子(SIF)的分布、裂纹的扩展模式都有显著影响。在残余压应力与移动载荷共同作用下,裂纹以张开模式扩展的概率会大大降低。当有分布的残余压应力场的最大值达到1GPa时,裂纹的扩展完全受KⅡ控制。通过仿真还发现,同等量级中,相对于均布分布的残余压应力场,梯度分布的残余压应力场对K场的影响更大;基于复合裂纹扩展速率模型,当裂纹以一定角度向表面扩展时,残余压应力增大可以使该角度下的裂纹扩展速率有效降低;当残余压应力量级到达一定程度时,裂纹会出现向材料内部扩展的趋势;当残余压应力继续增大时,裂纹将不再向材料表面扩展,转而以更大的角度向材料内部扩展。全文包括图片52幅,表格3个,参考文献67篇