激光冲击高强钢应力调控技术及微观结构演变机制

自升式平台是海洋资源开发的重要装备，桩腿是其升降系统的核心机构。本书针对桩腿材料E690高强钢的磨损、疲劳、胶合等多元损伤行为，聚焦激光冲击诱导E690高强钢动态响应、微观结构与应力调控多尺度演变机制，介绍了E690高强钢激光表面改性、减摩延寿及增材修复的基础研究。本书着重阐述了涵盖E690高强钢失效行为与机理，激光冲击波诱导E690高强钢动态响应与残余应力形成机制，微观组织结构与残余应力分布的相关性，激光冲击微观结构表征及基于位错组态的晶粒细化机制，激光冲击微造型减摩延寿和LCR/LSP复合修复机理的新理论、新方法及新技术。本书所述的研究内容及成果有利于激光表面改性、减摩延寿及增材修复的基础研究成果尽快走向应用，有助于拓展高能束复合制造与再制造的新方法和工艺。本书可供从事激光加工、表面工程、高技术船舶与海洋工程装备制造的科技人员、工程技术人员参考，也可作为机械工程、材料加工工程学科研究生和高年级本科生等的学习用书。

前言第1章绪论111引言112E690高强钢研究与应用概述213金属材料腐蚀疲劳裂纹扩展机理分析2131腐蚀疲劳裂纹扩展中的能量分析2132基于能量守恒的金属材料腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型414激光冲击调控表面残余应力相关研究与进展6141激光冲击强化技术研究概况6142激光冲击波传播机制与材料动态响应10143激光冲击与表面残余应力分布1215激光冲击材料表面微结构响应研究进展14151马氏体相变与晶粒细化机理14152极端塑性变形与晶粒细化机理15153激光冲击强化不同材料微结构研究概况1516激光冲击微造型对材料摩擦学性能影响的研究现状1817本章小结19参考文献20第2章E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验及腐蚀疲劳损伤建模2421引言2422E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验25221E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验材料25222E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试样制备25223E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验2523E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验结果分析27231试验数据分析方法27232不同环境下E690高强钢裂纹扩展的试验结果28233空气与盐水中裂纹扩展试验断口分析31234不同应力比下E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展的试验结果33235E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率计算与分析3324E690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率建模研究3625E690高强钢断裂韧度测试38251E690高强钢断裂韧度测试方法38252E690高强钢断裂韧度测试结果4026E690高强钢理论模型与拟合模型的对比分析41261E690高强钢理论模型计算结果与试验结果对比41262E690高强钢裂纹扩展速率理论模型与拟合模型对比4227E690高强钢SN曲线测试43271试验概况43272E690高强钢SN曲线测试试样43273E690高强钢SN曲线测试条件及过程4328E690高强钢损伤分析44281E690高强钢SN曲线测试结果44282E690高强钢腐蚀损伤演化实例45283E690高强钢SN曲线与裂纹扩展速率曲线转换4629本章小结47参考文献48第3章激光冲击诱导E690高强钢薄板表面动态应变特性研究5131引言5132激光冲击波加载金属薄板表面动态响应51321表面动态应变测试的边界条件51322表面动态应变测试原理52323激光冲击波加载金属薄板表面动态应变模型53324表面动态应变测试方法与试验参数5433激光冲击高应变率下E690高强钢表面动态应变模型及边界条件验证5534激光冲击高应变率下E690高强钢表面动态应变模型5635本章小结59参考文献59第4章激光冲击波传播机制与E690高强钢表面完整性研究6241引言6242激光冲击波特性测试原理、方法与装置63421激光冲击波特性测试原理63422激光冲击波特性测试方法与装置6443表面完整性试验与测试68431试样制备及试验设备68432激光冲击试验参数68433表面完整性测试6944数值建模71441建立几何模型71442材料的本构模型71443冲击压力设置7245激光单点冲击应力波传播仿真模型试验验证7346激光冲击E690高强钢残余应力形成机制75461E690高强钢残余应力双轴分布特性分析75462E690高强钢“残余应力洞”分布特性分析7647激光冲击E690高强钢表面完整性分析79471冲击前后E690高强钢表面三维形貌与二维轮廓变化79472冲击前后E690高强钢表层残余应力变化82473冲击前后E690高强钢表层显微硬度变化8348本章小结84参考文献84第5章激光冲击E690高强钢薄板表面残余应力洞形成机制及影响因素权重分析8851引言8852数值模拟89521有限元模型89522材料的本构模型89523冲击波压力模型9053试验方案设计9154结果分析与讨论92541不同激光功率密度冲击后表面残余应力分布92542表面Rayleigh传播与模型验证95543冲击波传播与残余应力洞的形成机制97544E690高强钢冲击波传播模型的建立100545表面稀疏波汇聚和纵向冲击波反射对残余应力洞影响权重10155本章小结102参考文献102第6章激光冲击E690高强钢表面微结构响应与X射线衍射图谱的相关性研究10561引言10562试验准备106621激光冲击试样制备106622激光冲击试验装置及参数106623激光冲击区域透射电镜观测试样制备及装置107624能谱点测试样制备及装置108625XRD分析及装置10863激光冲击E690高强钢表层微观组织演变109631E690高强钢原始组织109632激光冲击强化后E690高强钢表面的结构形貌110633激光冲击强化后E690高强钢电子衍射花样标定11264激光冲击E690高强钢表面成分分析11765激光冲击微观结构演变与XRD衍射图谱相关性118651微观结构与表面残余应力相关性118652激光冲击强化E690高强钢的XRD分析119653XRD图谱所得晶粒尺寸与TEM下晶粒尺寸的对比121654E690高强钢的失稳分解过程121655E690高强钢的形核—长大过程12366激光冲击强化E690高强钢表面微结构响应模型12567本章小结126参考文献127第7章激光冲击诱导E690高强钢表面自纳米化中调幅分解的试验研究13071引言13072试验材料与方法130721试验材料130722试验过程131723分析与检测13173结果与分析132731E690高强钢表面XRD衍射图谱分析132732E690高强钢表面TEM显微分析134733基于调幅分解的E690高强钢微观冲击响应模型与应力弛豫机制13774本章小结138参考文献139第8章激光冲击E690高强钢位错组态与晶粒细化的试验研究14181引言14182试验方案设计141821试验材料及冲击试验141822微观组织观测14283试验结果与分析142831激光冲击E690高强钢截面组织分析142832激光冲击E690高强钢表层微结构分析143833激光冲击E690高强钢内部位错组态研究14484本章小结152参考文献152第9章激光冲击对E690高强钢激光熔覆修复微观组织的影响15591引言15592试验材料与方法155921试验材料155922试验过程156923分析与检测15793试验结果分析与讨论158931物相分析158932显微组织分析159933激光冲击E690高强钢熔覆层表层位错组态研究164934表面残余应力17094本章小结171参考文献172第10章激光冲击对E690高强钢熔覆修复结合界面组织的影响175101引言175102试样材料与方法1751021试样制备1751022熔覆层制备与强化1761023分析与检测177103E690高强钢基体及熔覆层的织构分析177104激光冲击E690高强钢熔覆层截面微结构分析1791041激光冲击对熔覆层截面织构的影响1791042激光冲击E690高强钢熔覆截面晶粒尺寸变化与晶界取向角分析180105激光冲击E690高强钢熔覆层界面微结构分析1841051激光冲击对E690熔覆界面织构的影响1841052激光冲击对熔覆层界面微观组织的影响1871053激光冲击E690高强钢熔覆层界面晶界取向角分析189106激光冲击E690高强钢熔覆层界面响应模型191107本章小结192参考文献192第11章E690高强钢表面激光冲击微造型及其摩擦学性能的试验研究194111引言194112激光冲击微造型的模拟与试验方法1951121有限元模型的建立1951122激光冲击微造型试验1961123摩擦磨损试验198113激光冲击微造型的成形规律及表面微观结构演变1991131激光冲击次数对微造型表面形貌的影响1991132激光冲击次数对残余应力和FWHM值的影响2011133微造型表面纳米化及调幅分解验证205114微造型几何参数设计对摩擦学性能的影响2061141摩擦学性能分析方法2061142微造型密度对摩擦系数的影响2061143微造型深度对摩擦系数的影响208115磨损表面与磨损机理分析2091151磨损表面分析2091152磨损机理分析211116本章小结213参考文献214第12章激光冲击微造型表面AlCrN涂层制备及减摩机理217121引言217122AlCrN涂层制备试验及测试方法2171221AlCrN涂层的制备方法2171222表面和截面微观形貌观察2191223X射线物相检测2191224显微硬度与残余应力检测2191225涂层工程结合强度检测220123AlCrN涂层性能分析2211231表面宏观形貌2211232表面微观形貌与物相分析2221233显微硬度与残余应力2231234涂层与基体的结合强度224124微造型AlCrN涂层试样的摩擦磨损性能研究2261241不同密度微造型AlCrN涂层的摩擦学性能2261242不同深度微造型AlCrN涂层的摩擦学性能227125微造型AlCrN涂层试样的磨损表面观察及机理分析2291251磨损表面形貌分析2291252磨损表面的EDS能谱分析2321253微造型AlCrN涂层的减摩润滑模型233126本章小结234参考文献235