激光冲击处理技术是利用高功率密度、短脉冲激光束辐射金属材料,使材料表面涂层迅速汽化形成等离子体并膨胀爆炸产生高压冲击波,该冲击波使材料表层形成高残余压应力,从而提高金属板料抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳等力学性能的一种新型的表面改性处理技术。本文从激光冲击波诱导残余应力场的机理出发,通过仿真和实验研究了激光冲击金属板料残余应力场及边界效应,主要取得如下研究成果:分析了激光诱导冲击波的形成机理及冲击波在材料中传播和衰减规律。研究了激光冲击过程中冲击波作用下材料内残余应力的形成过程。讨论了影响残余应力大小和分布的主要因素。提出了激光冲击处理数值仿真建模方法。根据激光冲击的特点,结合有限元理论,以ABAQUS为平台,利用显式动态分析与隐式静态分析相结合的方法,建立激光冲击波的加载数值模型。基于能量变化趋势,确定显式分析时间。对单点激光冲击进行了仿真研究。研究表明,提高激光功率密度可以增加板料表层残余应力场,但是功率密度较大时会产生“残余应力洞”现象。冲击次数对单点激光冲击影响表明同一位置,多次冲击后,残余应力会趋于饱和,最佳冲击次数为2-3次。另外,提出了“残余应力洞”产生机理,是由于冲击区域的边界效应产生的稀疏波向中心传播,引起中心区域发生反向塑性变形,从而降低此处残余压应力。采用对冲工艺或采用椭圆形或方形光斑可以减弱冲击中心残余应力缺乏。仿真研究了两点搭接和多点搭接在不同搭接率下搭接区和冲击区边界处残余应力的分布。研究发现:搭接冲击可以在工件表面获得比较均匀的残余应力场,搭接冲击区残余压应力比单点冲击区要大;对于一定工艺参数下激光搭接冲击,必须合理选择搭接率,并不是搭接率越大越好;由于边界效应,冲击光斑边界残余压应力比较薄弱,但是增加激光搭接率可以降低边界效应。试验研究了单面和双面搭接冲击处理板料表面残余应力场。与单面冲击相比,双面冲击的正面残余应力分布较为均匀,残余压应力较大;在冲击区的侧面,由于边缘效应的作用残余压应力很小,甚至为拉应力。对冲击件的疲劳试验表明:搭接冲击处理能有效的提高工件的疲劳寿命;此外,由于边界效应,在冲击区边界处容易产生裂纹。