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毕业设计论文

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南京工业大学不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究,毕业设计论文

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南京工业大学本科生毕业设计（论文）工作条例 南工校教 200383 号 （试行） 毕业设计（论文）是本科专业人才培养计划中最后一个综合性教学环节，是培养学生工程实践能力、理论研究能力和创新意识的重要途径，是学生毕业及学位资格认定的重要依据。做好毕业设计（论文）工作对培养具有创新精神和实践能力的高素质人才具有极其重要的意义。为此，特制订本条例。 一、毕业设计（论文）的目的与要求 毕业设计（论文）的主要目的是培养学生综合运用所学理论知识和基本技能解决工程实际问题的能力，初步具有从事科学研究的能力。因此，在 毕业设计（论文）中要求对学生着重以下几方面能力的培养，并根据专业性质有所侧重。 1调查研究及检索与阅读中外文献资料的能力； 2综合运用所学专业知识分析、解决实际问题的能力； 3独立开展研究、独立完成课题的工作能力； 4试验方案的制定、仪器设备的选型、安装、调试及实验数据的测试、采集与分析处理的能力； 5设计、计算与绘图的能力，包括计算机应用的能力； 6逻辑思维与形象思维相结合的文字及口头表达的能力； 7撰写设计说明书或论文的能力。 毕业设计（论文）的时间，理工类学生至少 12 周（包含评阅及答辩） ，人文管理类学生可酌情减少，但一般不得少于 7 周。 二、毕业设计（论文）的组织管理 全校的本科生毕业设计（论文）工作在分管校长的统一领导下，由教务处、学院、系分级落实完成。 1、教务处的职责 （ 1）负责全校毕业设计（论文）管理工作，通过制定毕业设计（论文）的有关规章制度，对其进行宏观指导。 （ 2）为毕业设计（论文）工作的顺利进行提供场地等方面的保证。 （ 3）组织校级毕业设计（论文）检查组，负责对毕业设计（论文）的开题、中期、答辩等教学环节进行质量监督和检查。 （ 4）进行毕业设计（论文）工作的考核、总结，组织经 验交流和nts质量评估等工作。 （ 5）负责学校优秀毕业设计（论文）和优秀指导教师的组织评选工作。 2、学院的职责 （ 1）负责本学院毕业设计（论文）工作的组织管理工作，结合各专业特点，制定学院毕业设计（论文）的实施细则。 （ 2）成立毕业设计（论文）领导小组，进行毕业设计（论文）工作动员，定期检查各系（教研室）毕业设计（论文）工作的进度和质量，包括做好对开题、中期和答辩等环节的检查。 （ 3）审批答辩委员会和答辩小组的组成人员。 （ 4）做好毕业设计（论文）工作总结，及时将总结上报教务处。 3、系（教研室）的职责 （ 1） 系（教研室）是组织与指导毕业设计（论文）的基层单位，成立以系（教研室）主任为组长的毕业设计（论文）指导小组，成员3人。 （ 2）按照专业培养目标和毕业设计（论文）工作的基本要求，审定毕业设计（论文）题目。审题工作要求在第 7 学期末完成。 （ 3）根据指导教师条件，确认指导教师名单，并将题目和指导教师名单上报学院。积极为指导教师和学生提供适当的资料、实验条件等。 （ 4）检查、督促教师加强对学生的考勤与指导，把握毕业设计（论文）工作的进度和质量。 （ 5）组织安排好开题报告、中期检查和结题验收工作。 （ 6）组织毕业 设计（论文）的评阅、答辩和成绩评定。 （ 7）进行毕业设计（论文）的工作总结，送学院归档。 三、毕业设计（论文）选题及任务下达 （一）选题原则 1、从各专业的培养目标出发，满足教学基本要求，使学生得到比较综合的训练。 2、选题应尽可能结合生产、科研和教学的实际任务，其难度和工作量应适合学生的知识、能力水平和相应的实验条件。选题应贯彻因材施教的原则。 3、人文管理类学生应依据专业特点，尽量从经济、管理、社会发展的实际出发进行选题。选题要有明确的针对性，避免过空过大，使nts学生有具体工作内容，在完成毕业论文过程中，得 到理论联系实际的锻炼。 4、选题要有利于巩固、深化和拓宽学生所学知识，有利于培养学生独立工作能力和注重培养学生的创新能力。 5、选题应有一定的深度和广度，份量适当，使学生在规定的时间内通过努力能按时完成任务。 6、选题原则上要求一名学生一个题目，且不得与往届重复。 7、毕业设计（论文）题目选定后，由系（教研室）审查、备案，且不得随意更改，特殊情况确需更改者，必须提交书面申请，经系主任、学院分管院长批准。 （二）选题、审题的工作程序及要求 毕业设计课题由指导教师提出，并填写 毕业设计（论文）选题审批表 ， 陈述 课题来源、课题简介、难易程度、工作量大小、设计（论文）要求及所具备的条件等，经系毕业设计（论文）指导小组讨论、组长审定后生效。 如果同一项课题需由 2 名及 2 名以上同学完成，应在申报课题的名称上加副标题以示区别。 选题、审题工作应于第七学期末完成并落实到学生，以便学生及早准备。 （三）任务书的填写与下达 毕业设计（论文）任务书，应由指导教师根据各课题的具体情况以及本专业毕业设计（论文）教学大纲填写，经系负责人审查、学院分管领导签字后生效，并于毕业设计开始前一周内发给学生。任务书中除布置整体工作内容，提供必要 的资料、数据外，应提出明确的技术要求和量化的工作要求，包括开题报告、外文资料翻译、论文的字数、图纸、软硬件的数量及技术指标等，并列出参考文献目次。 由多个学生共同完成的课题或与研究生协作进行的课题，应参照毕业设计（论文）选题审批表中的内容，明确每位学生须各自独立完成的工作。 任务书内容必须按有关要求用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，不得随意涂改或潦草书写，禁止打印后剪贴。 任务书一经审定，指导教师不得随意更改，如因特殊情况确需变更，应提出书面报告说明变更原因，经所在系负责人同意 ，学院分管领导nts批准。 四、对指导教师的要求 1、毕业设计（论文）教学实行指导教师负责制，指导教师应对整个毕业设计（论文）阶段的教学活动全面负责。 2、毕业设计（论文）指导教师应由讲师以上职称的教师担任，助教不得单独指导毕业设计（论文），但可协助指导教师工作。需要在工厂或校外其它单位进行毕业设计（论文）工作时，可聘请该单位具有中级以上技术职称的技术人员协助指导。 3、指导教师指导学生数量理工类专业不超过 6 人，人文管理类不超过 10 人。若指导教师数量不足，经学院分管领导批准，可聘请退休教师或校外高级技术人员担任指 导教师，报教务处备案。 4、指导教师负责制定毕业设计（论文）任务书，指导学生调研、收集资料以及进行必要的实验准备工作。 5、指导教师要根据每位学生的特点，指导学生制定毕业设计（论文）进度计划，保证定期（每周不得少于 3 次）对每位学生进行具体指导，每次指导应填写指导记录表。 6、在指导学生毕业设计（论文）期间要严格控制指导教师的出差，确因工作需要必须出差，若时间在 2 周以内的须经学院分管领导批准， 2 周以上的必须报教务处审批，并事先向学生布置好任务和委托其他指导教师代为指导。 7、指导学生做好开题报告，配合系（教研 室）进行中期检查，批改译文及外文摘要。 8、指导学生撰写毕业论文，包括拟定提纲、撰写初稿和修改定稿等。督促和指导学生做好答辩前的各项准备工作。 9、实事求是地向答辩委员会提出每位学生的工作态度、能力水平、毕业设计（论文）质量及应用价值等方面的评语、建议和意见。 10、指导教师要教书育人，做学生的良师益友。注意培养学生的团结协作精神和求实创新的工作作风。严格要求学生，教育学生遵守各项规章制度。 五、对学生的要求 1、根据毕业设计（论文）任务书的具体要求，拟定毕业设计（论文）总体方案与工作计划。 2、既要尊重教师的指导，又要注意发挥自己的主观能动性，培养自己分析问题、解决问题的能力，努力提高毕业设计（论文）水平。 nts3、按时、独立地完成指导教师规定的工作任务，反对学术腐败，不弄虚作假，不伪造数据，不抄袭和剽窃别人成果。违者毕业设计（论文）成绩按不及格处理。 4、严格遵守纪律，在指导教师指定的地点进行毕业设计（论文），每个工作日工作时间不低于 6 小时。因事、因病离岗，应事先向指导教师和辅导员请假，否则按旷课处理。凡随机抽查三次不到者，其毕业设计（论文）成绩降低一个等级；累计旷课时间达到或超过全过程1/3 者， 取消毕业答辩资格，成绩按不及格处理。 5、毕业设计（论文）成绩不及格者不得毕业，发给结业证书。若学生自愿缴费重修，可提出书面申请，经学院分管领导批准，报教务处办理重修手续，重修一般安排在下一届毕业设计（论文）期间进行。 6、在毕业设计（论文）过程中，要发挥团结协作精神，节约实验材料，爱护仪器设备，遵守操作规程及实验室有关规章制度。对因操作不当，造成仪器损坏的，按价赔偿。 7、热爱劳动，定期打扫卫生，保持良好的工作环境。 8、毕业设计（论文）、图纸、计算书、说明书等相关材料必须符合规范化要求（设计（论文）中采 用的单位、符号应符合国家标准），否则不能取得答辩资格。 9、毕业设计（论文）成果、资料以及实验记录本在答辩前应交指导教师收存。毕业设计（论文）成果经指导教师同意可公开发表或申请专利。 六、毕业设计（论文）的检查 毕业设计（论文）指导工作须按以下程序进行： 选题开题中期检查结题答辩归档 在开题、中期检查和答辩等重要环节，学校、学院要组织专家组深入到各专业进行监督和检查。 1、开题 一般在毕业设计（论文）开始后的第三周进行，由系（教研室）组织开题报告会，检查每个学生的开题准备情况。检查开题报告的要点如 下： （ 1）检查学生的文献综述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计（论文）的内容和要求； （ 2）进度计划是否切实可行； （ 3）是否具备毕业设计（论文）所要求的基础条件。 nts开题报告不合格者不得继续毕业设计（论文）工作，须在一周内重写。 2、中期检查 中期检查在分管校长领导下，由各学院、系（教研室）分别组织实施。中期检查时每个学生要汇报毕业设计（论文）进展情况，回答教师提出的问题，提交已查阅到的参考资料、已获得的实验数据等。中期检查的主要内容有： （ 1）选题是否恰当，设计（论文）的内容与题目是否一致，基本观点 是否正确，设计（实验）方法是否可行； （ 2）学生是否按计划完成规定工作，是否做到时间过半，任务过半，所遇到的困难能否克服； （ 3）学生在毕业设计（论文）期间的表现； （ 4）教师对指导工作是否认真负责，指导的次数是否达到规定的要求。 七、毕业设计（论文）的评阅与答辩 （一）、毕业设计（论文）的评阅 学生毕业设计（论文）完成后，除了指导教师对其毕业设计（论文）进行评阅，写出评语外，还应由答辩组指定另一名教师（由讲师以上教师担任）担任评阅工作，写出评阅意见。答辩组教师答辩前应认真阅读毕业设计（论文），以便在答辩中 有针对性地提出问题。 （二）、毕业设计（论文）的答辩 1、答辩应在系（教研室）组织对毕业设计（论文）规范化要求的审查合格后进行。 2、各学院要成立毕业设计（论文）答辩委员会，全面负责答辩与评分工作，学院答辩委员会由 5-7 人组成，设主任委员 1 人（一般由学院领导或学术水平较高的教师担任），副主任委员 1 人。答辩委员会下设若干答辩小组，答辩小组由 3-5 人组成，设组长 1 人，具体负责答辩工作，成员可以是本学院教师，也可以是相关学院教师，经学院分管领导批准可聘请校外人员担任答辩委员会成员。 3、每个学生必须参加毕业设计（ 论文）答辩，学生讲解控制在 10 分钟，教师提问及学生答辩控制在 20 分钟。 4、优秀毕业设计（论文）的答辩须经学生本人申请，指导教师及评阅教师推荐，参加由学院或系组织的集中答辩。 八、毕业设计（论文）的评分 nts1、毕业设计（论文）按优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级评定成绩。优秀的学生不得超过本专业学生的 15%，中等、及格、不及格的学生不得低于 20%。 2、毕业设计（论文）的成绩由三个部分组成，其中平时工作、中期检查情况占 30 分，毕业设计（论文）质量和水平占 50 分（由指导教师与评阅教师分别评分，指导教师占 60%，评阅教师占 40%），毕业答辩占 20 分。三项之和为总成绩，总成绩由答辩委员会集体议定。 3、评分参照标准： 项目 内容 权重 评分标准 （ 5 分） （ 3-4 分） （ 0-2分） 平时工作与中期检查 （ 30分） 出勤、纪律、协作精神 1 好 一般 差 独立工作能力 1 强 一般 差 工作勤奋及刻苦精神 1 勤奋刻苦 较认真 马虎 独立思考与主动性 1 主动钻研 欠主动 不主动 外文资料翻译情况 1 水平高 水平一般 差 中期检查情况 1 好 一般 差 设计论文质量与水平 （ 50分 ） 综合应用知识的能力 3 强 较强 差 设计（论文）的正确性、合理性 2 正确合理 较正确合理 差 设计（论文）的创新性 2 有创新 一般 差 方案选择论证 1 合理正确 基本正确 有错误 数据处理能力 1 强 一般 较差 图、文表达能力 1 清晰、正确 通顺 较正确通 顺 有错误 答辩 （ 20 分） 能在规定时间内精炼正确完成讲解 2 按时、精炼 正确 按时、较正确 错误较多 能全面正确回答所提问题 2 全面正确 比较全面、基本正确 错误较多 nts 总 分 20 100 分 注：各项加和满分为 100 分，毕业设计（论文）成绩参照以下标准记载： 优秀： 90 分以上，良好： 80-90 分，中等： 70-79 分，及格： 60-69 分，不及格： 59 分以下。 4、各学院可以参照上述标准，根据专业特点制定相应的设计（论文）答辩与评分标准，报教务处备案。 5、毕业设计（论文）成绩在答辩工作全部结束后，经系（教研室）审定，学院分管领导批准，报教务处备案。 九、其他 1、毕业设计（论文）装订 毕业设计（论文）要按照封面（由教务处统一制作）、内封、中文摘要、外文摘要、目录、论文正文、致 谢、参考文献等顺序装订。 2、毕业设计（论文）保存 毕业设计（论文）及有关资料由各学院资料室负责留存三年，其中优秀毕业设计（论文）交校档案馆存档。 3、外文译文要求翻译 1 万印刷符（或译出 3000 汉字）以上的有关技术资料，内容尽量结合毕业设计（论文）课题，并注明原文来源。译文要求计算机打印。 4、毕业设计（论文）的知识产权属于学校。 5、本条例自公布之日起执行，解释权归教务处。 南 京 工 业 大 学 二三年四月二十八日 nts江苏省普通高等学校本专科 优秀毕业设计（论文）推荐表 学校名称： 南京工业大学 填表日期： 2005年 8月 1日 学生 姓名 王卉 性别 女 民族 汉 出生 年月 1983.01 入学 年级 2001 专业名称 过程装备与控制工程 专业所属 一级门类 机械工程 专业所属 二级类 过程装备与控制工程 指导教师 毕业设计（论文）总周数 18 姓名 专业技术职务 年龄 所在单位 凌祥 教授 38 机械与动力工程学 院 毕业设计（论文）题目 不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研 究 毕业设计（论文）主要涉及研究方向 过程装备先进再制造技术 毕业设计（论文）选题依据及背景 消除不锈钢焊接残余应力是一种提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能的有效方法。钢丸喷丸因钢丸容易产生碎片残留在工件表面，有时会引起电化学腐蚀或电偶腐蚀， 破坏很薄的表面残余压应力层， 反而降低了抗腐蚀能力；玻璃喷丸因是无机物，没有这样的问题，但存在噪音和粉尘污染。激光喷丸 是一种高新技术， 与上述两种方法相比，具有很多优势，是一种绿色的 和高效 的方法。因此 ， 分析 激光 喷丸工艺与表面层残余压应力场之间的关系，了解 激光 喷丸残余应力场 分布规律，对提高 激光 喷丸工艺水平和 强化不锈钢焊接接头 抗应力腐蚀能力 具有较高的学术价值和 十分重要的工程意义 。 学校中期检查情况 任务完成较好，前期查阅了 国内外 大量文献，对激光喷丸这一高新技术在提高不锈钢抗应力腐蚀的性能方面进行了深入了解， 自学了有限元和弹性力学有关知识，熟悉了 ABAQUS 的使用方法， 为后期的有限元模拟以及不锈钢单点喷丸试验做好了准备 。 毕业设计（论文）的水平与特色 论文难度大 ， 内容有创新 ， 综合运用了多门学科知识 ， 部分内容已达到硕士研究生 论文的 水平，可以在学术期刊发表 。 nts毕业设计（论文） 有何实验、实践或实习基础 激光喷丸强化试验、 X 衍射测定残余应力试验 、扬子石化 应力腐蚀开裂情况调查 学生毕业设计（论文）期间的研读书目 有限元分析，弹性力学， 金属表面强化技术 -金属表面工程学 ， 不锈钢应力腐蚀开裂， 激光物理学 ， ABAQUS用户手册 ， 有限元法及其程序设计 指导教师评语及推荐意见（包括学生的工作态度、知识与能力、成果与水平、设计（论文）质量等几方面） 王卉同学在毕业论文期间，非常勤奋刻苦。通过查阅大量文献，对激光喷丸这一高新技术在提高不锈钢抗应力腐蚀性能的可行性进行了分析。该生自 学了弹塑性力学及有限元方面的知识，建立了不锈钢单点激光喷丸过程的有限元分析模型，得到了残余应力分布的一些规律和影响因素，数值模拟结果与实验结果趋势一致。上述研究工作与结果为进一步研究不锈钢焊接接头的激光喷丸提高抗腐蚀性能奠定了基础。论文难度大，内容有创新，综合运用了多门学科知识 ， 部分内容已达到硕士研究生 论文的 水平，可以在学术期刊发表 。为此，本人郑重推荐王卉同学申报 省 优秀毕业论文。 指导教师签字： 2005 年 08 月 20 日 指导教师对申报材料真实性的意见 论文中试验 和 数值模拟 所取得的结果 均 是 在我指导下， 王卉 同学独立完成的 。 论文 中除明确注明和引用的内容外， 该 论文不包含任何他人已经发表或撰写过的内容。 指导教师签字： 2005 年 08 月 20 日 学校推荐意见 同意推荐 （学校公章） 2005 年 08 月 30 日 注：专业名称和所属门类请按教育部公布的专业目录填写。 其中专科专业请对照教育部 印发的普通高等学校高职高专教育指导性专业目录 (试行 ) ， 可从以下网址下载： /info/edu/poli/8586.shtml。 nts目录 I 目 录 目 录 . I 不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验研究 . IV 摘 要 . IV Abstract . V 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 . 2 1.2.1 应力腐蚀产生的条件 . 2 1.2.2 应力腐蚀的机理 . 3 1.2.3 应力腐蚀开裂的过程 . 3 1.2.4 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌 . 3 1.3 本文的研究目标及内容 . 5 第二章 激光喷丸的机理 . 7 2.1 弹丸喷丸 . 7 2.1.1 弹丸喷丸的原理 . 7 2.1.2 弹丸喷丸的工艺参数 . 7 2.1.3 弹丸喷丸提高抗应力腐蚀能力的机理 . 8 2.1.4 传统弹丸喷丸强化工艺的不足 . 9 2.2 激光 . 10 2.2.1 激光原理简介 . 10 2.2.2 激光的特性 . 11 2.3 激光喷丸 . 12 2.3.1 激光喷丸强化原理 . 12 2.3.2 激光喷丸试验方法 . 14 nts南京工业大学本科毕业论文 II 2.3.3 激光喷丸优点 . 15 第三章 激光喷丸有限元分析模型 . 17 3.1 有限元法概述 . 17 3.1.1 有限元法的发展 . 17 3.1.2 有限元法的优越性和局限性 . 18 3.1.3 有限元法的基本思路 . 19 3.1.3 大型有限元计算软件 ABAQUS 的简介 . 19 3.2 激光喷丸有限元分析模型 . 20 3.2.1 激光喷丸材料模型 . 20 3.2.2 残余应力 有限元的公式 . 21 第四章 单点激光喷丸有限元模拟及分析 . 22 4.1 引言 . 22 4.2 有限元模型建立 . 22 4.2.1 激光喷丸温度场分析 . 22 4.2.2 模型几何尺寸 . 22 4.2.3 材料力学性能 . 23 4.2.4 单元类型和网格划分 . 24 4.2.5 载荷和边界条件 . 24 4.3 单点激光喷丸的计算结果及分析 . 25 4.3.1 不 锈钢单点激光冲击后残余应力分布 . 25 4.3.2 激光强度的影响 . 29 4.3.3 激光光斑半径的影响 . 32 第五章 不锈 钢单点激光喷丸试验研究 . 35 5.1 概述 . 35 5.2 不锈钢单点激光喷丸试验 . 35 5.3 单点激光喷丸试样残余应力测 定 . 36 5.3.1 X 射线测定方法 . 36 nts目录 III 5.3.2 测量原理 . 36 5.3.3 衍射峰位置的确定 . 38 5.3.4 应力测量误差 . 39 5.3.5 测试仪器 . 39 5.3.6 试验数据 . 41 5.4 不锈钢单点激光喷丸的 有限元模拟 . 42 5.4.1 ABAQUS 模型的建立 . 42 5.4.2 模拟数据 . 43 5.5 数值 模拟和试验结果的比较 . 43 第六章 总结与展望 . 45 6.1 总结 . 45 6.2 展望 . 45 致 谢 . 47 参考文献 . 48 nts南京工业大学本科毕业论文 IV 不锈钢单点激光喷丸数值模拟与试验 研究 摘 要 消除焊接残余应力是一种提高不锈钢焊接接头抗应力腐 蚀性能的可行方法。 铸 钢丸喷丸因钢丸容易产生碎片残留在工件表面，有时会引起电化学腐蚀或电偶腐蚀，反而降低了抗腐蚀能力；玻璃喷丸因是无机物，没有这样的问题，但存在噪音和粉尘污染。激光喷丸与上述两种方法相比，具有很多优势，是一种绿色的，对环境无污染的方法。 本文应用大型通用有限元计算分析软 ABAQUS 对不锈钢单点激光喷丸过程进行了动力学模拟，得到了残余应力分布。 数值模拟 结果表明：（ 1）在相同激光光斑半径情况下，残余压应力随峰值压力增大而增大；（ 2）在相同峰值压力情况下，激光光斑半径对残余压应力影响较小。 本 文 还对 不锈钢进行了单点激光喷丸，并应用 X 射线衍射法测定了激光冲击强化层残余应力 ，有限元 模拟结果与 测定结果 比较发现两者趋势一致。 本文的研究结为今后进一步研究激光喷丸提高不锈钢焊接接头抗应力腐蚀性能提供了基础。 关键词： 激光冲击强化（激光喷丸），残余应力，冲击波，有限元分析 ntsAbstract V Finite Element Simulation and Experimental research on One-point Laser Shock Peened Stainless Steel Plate Abstract Eliminating the weld residual stress is an effective method to improve the corrosion resistance of weld joints of stainless steels. Electrochemistry corrosion or electric couple corrosion occur in the surface of stainless steel weld joints caused by the steel fragments leaving on the surface of joints during the process of cast steel shots peening, which reduce the abilities of corrosion resistance. As a kind of mineral, glass beads havent this problem, but noises and the pollution of dust. Compared with the above two methods, laser shock peening is a green method, which has many advantages. Finite element analysis techniques have been applied to predict the residual stress induced from laser shock peening. Main conclusions are summarized as follows: (1) Under the condition of the same beam radius, the more peak pressure is, the more residual compressed stress induced by laser peening is; (2) Under the condition of the same peak pressure of laser shock wave, the value of laser beam radius have little effect to the residual compressed stress induced by laser peening. A sample with square shape was peened by one-point laser shock. The residual stress distribution in the sample has been measured by X-Ray diffraction method. Comparison between the numerical results and the experimental data has been made, they have a good agreement. Keywords: Laser shock peening; Residual stress; Shock waves; Finite element analysis nts第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 应力腐蚀开裂 （ Stress Corrosion Cracking， SCC） ，是载荷和介质共同作用下的亚临界裂纹扩展过程，是金属材料在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象，并对介质和材料的组合具有选择性。应力腐蚀的断口呈脆性，危险性极大。美国杜邦公司调查各类腐蚀统计结果表明：局部腐蚀占 27，应力腐蚀占 35，其它 类型的 腐蚀 约 占 38，可见应力腐蚀在各类腐蚀中占的比例是相当大的 1。 引起 应力腐蚀必须具备的条件是拉应力、腐蚀介质和材料 对腐蚀介质敏感 。其中 拉应力是 发生应力腐蚀开裂的必要条件 ； 通常 拉 应力越大，发生开裂的时间越短。 应力腐蚀直接关系到安全生产：解决和减轻这类问题是设计工作者的责任。在设计过程中需考虑腐蚀环境，严格执行标准规范，这样可能大大减少设备运行中的维修费用，以及停产带来的经济损失等。 表 1.1 引起 SCC 的应力源 引起 SCC 的应力 件数 比率， % 1 成型加工厂残余应力（弯管、矫形、胀管） 51 45.1 2 焊接残余应力（包括衬里） 35 31 3 铆接、螺栓连接的残余应力 2 1.8 4 安装引起的残余应力 2 1.8 5 切削加 工、锻造的残余应力 2 1.8 6 工作时的热应力 17 15 7 工作时的承载应力 4 3.5 共计 113 100 由上表可以看出，工程设备中的残余应力是造成应力腐蚀开裂的主要原因。因此，必须设法消除 成型加工厂残余应力和 焊接残余拉应力。 nts南京工业大学本科毕业论文 2 不锈钢应力腐蚀开裂往往是在没有预兆的情况下突然发生的，经济损失大，危害严重，它遍及石油、化工、纺织、造纸、医药、原子能、宇宙航行以及海洋开发等使用不锈钢的所有部门，约占湿态腐蚀损坏事故的 47%。不锈钢应力腐蚀开裂一般都发生在焊接接头的焊缝附近，主要原因是存在焊 接残余应力。近 30年来人们对不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂进行了大量研究，积累了丰富的知识与经验。这些研究主要侧重于应力腐蚀机理、试验方法、影响因素等方面。对于防止不锈钢焊接接头应力腐蚀开裂的方法的系统研究则很少。 本章 将 对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 ， 消除焊接残余应力的主要方法，喷丸技术及其应用等方面的发展状况进行了简要评述，重点介绍这些领域的最新成果。 1.2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理 1.2.1 应力腐蚀产生的条件 一般情况下，产生应力腐蚀开裂应具备两个条件：一是要有足够大的拉应力；二是要有 特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等） 2。应力腐蚀开裂是由拉应力与腐蚀环境共同作用的结果。 （ 1）拉应力的存在 拉应力不一定是外力造成的，它可能来源于构件制造过程中 （如轧制、 焊接等工序所形成的残余应力 ） ；也可能来源于过盈装配。试验证明：应力大小影响应力开裂历程，它存在一个界限应力强度，当应力满足这个临界条件才能发生 SCC，反之则不会发生 3-4。当然在某些场合，这个界限值是很低的 5。 （ 2）特定的腐蚀环境 引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的常见介质有 ： 各种氯化物或含氯化物的溶液（包括盐水、海水 、河水 、 井水、高温高压水、水蒸汽和海洋性大气等）、氢氧化物、硝酸和硝酸盐、氢氟酸、氟硅酸和含氟离子的水溶液、硫化氢水溶液、硫酸和亚硫酸等，而且腐蚀介质的浓度无需很高。奥氏体不锈钢会在氯化物浓度仅百分之几的高温水中发生 SCC。 nts第一章 绪论 3 1.2.2 应力腐蚀的机理 目前，对应力腐蚀机理的研究还处于研讨阶段，没有明确的规定 6。对于各种不锈钢环境体系，目前有许多应力腐蚀理论，其中主要的解释学说有电化学阳极溶解理论、氢脆理论、钝化膜破裂理论、吸附理论等 7，奥氏体不锈钢的应力腐蚀和防护理论带有不同的侧重点，只能解释特 定环境介质下的应力腐蚀开裂。但对于应力腐蚀发生的机理，大家普遍认为：在较大的拉应力作用下，金属材料的原子处于不稳定的高能状态，在特定的腐蚀介质作用下，原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀，进而发生脆裂，即产生微裂纹；而后由于微裂纹的应力集中效应，使材料的脆裂得以快速扩大，最终导致材料断裂。 1.2.3 应力腐蚀开裂的过程 应力腐蚀开裂的过程可分为三个阶段： 第一阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段，也即是导致应力集中的裂纹源生核孕育的阶段，常称之为潜伏期或诱导期。 第二阶段为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑发展到单位 面积所能承受最大载荷的所谓极限应力值时的阶段。 第三阶段是失稳纯力学的裂纹扩展阶段，即破裂期。第一阶段受应力影响相对较小，时间长，约占破裂总时间的 90%。 如果材料在开始使用时就存在裂纹或蚀坑等缺陷，则应力腐蚀开裂过程只有裂纹扩展和失稳快速断裂两个阶段。所以应力腐蚀开裂可能发生在很短时间内，也可能发生在几年后。 1.2.4 应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌 不锈钢应力腐蚀 裂纹特征：典型裂纹多貌似落叶后的树干和树枝，裂纹尖端较锐利；裂纹主干又有分枝，裂纹宽度较小，而扩展较深；裂纹扩展方向一般垂直于残余或施加的拉 应力的方向。 不锈钢应力腐蚀的 微观形貌可分为穿晶型、沿晶型和穿晶 +沿晶混合型。且以多为穿晶型多见 8，但也； 宏观断口呈脆性断裂。断口的微观形貌，穿晶型常见河流、扇形、鱼骨、羽毛等花样；沿晶型则多为冰糖块状花样。从不锈钢应力腐蚀的裂纹特征和断口形貌也可以判断出不锈钢的应力腐蚀是在没有先兆的情况nts南京工业大学本科毕业论文 4 下发生的脆性断裂，因此它的危害性极大。 残余应力在实际生产中影响很大。例如，近几年来，在我国已使用的球罐中约有三分之一发现存在不同程度的裂纹，对设备安全运行带来严重影响。从发生事故的球罐来看，除少数是由于设计不合理、选 材不当、操作失误等原因外，绝大多数是因裂纹产生的脆性破坏。再如， 1992 年某厂使用 304 不锈钢的浓缩制碱锅炉仅三个月，锅炉上距焊接熔合线大约 210mm 的焊接热影响区就产生了大量与焊缝平行的穿透和未穿透裂纹，有的穿透裂纹长达 100mm，发生了严重的泄漏。泄漏部位没有明显塑性变形，锅炉内壁均失去原有金属光泽，但锅炉母材及焊缝上没有出现腐蚀裂纹。分析原因得到：由于锅炉焊接后未进行焊接残余应力的退火处理，因而焊缝及其邻近区域存在较高的焊接残余应力。而且锅炉服役环境的腐蚀性很强，很容易产生应力腐蚀裂纹。裂纹不断扩张 ，最终导致了锅炉的泄漏。 前面讲到，成型加工厂残余应力（弯管、矫形、胀管）和焊接残余应力（包括衬里）占到 SCC 应力源的 86.1%。因而必须消除残余应力以提高设备的抗应力腐蚀能力。 目前应用较多的消除残余应力的方法有：机械拉伸法，滚压法，低应力无变形焊接法，爆炸法，局部低温热处理，整体高温回火处理，热喷涂处理，喷丸处理等。 （ 1）机械拉伸法 对有残余应力的对接接头焊接方向施加均匀拉伸力，拉应力区在外载的作用下产生拉伸塑性变形，它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反，能起到抵消压缩塑性变形的作用 9-10。 （ 2）滚压法 用适当的压力滚压焊缝或近缝区，造成与焊接压缩塑性变形完全相等而方向完全相反的拉伸塑性变形，这样在薄板构件上就可以达到既消除应力又消除变形的目的 99。 （ 3）低应力无变形焊接法 刚凝固的焊缝区中，对已受到压缩但仍处于高温的金属给予强迫冷却，在温度低谷中受到极大的温差拉伸作用，随即得到拉伸塑性变形的补偿 11。 nts第一章 绪论 5 （ 4）爆炸法 使用适当的炸药以适当的布药方式在焊接区引爆，利用爆炸冲击波的能量，使焊接残余应力区的金属基体产生塑性变形，从而达 到消除或降低焊接残余应力的目的。此法特别适用于消除大焊件的残余应力 12。 （ 5）局部低温热处理 在焊缝附近区域冷却，造成一定温差，使焊缝及其附近区域的材料受到拉伸并达到塑性变形的程度，此塑性变形可用来抵消（或部分抵消）焊接过程中的压缩塑性变形，从而使焊缝附近区域的拉伸残余应力消除（或降低） 13。 （ 6）整体高温回火处理 将整个结构加热到一定温度，保温一段时间后再冷却，即可以达到消除残余应力的目的。对于同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，残余应力消除得越彻底。应当注意的是保温时间与结构的厚度有关，厚度 越大，保温时间应越长14。 （ 7）热喷涂处理 在焊缝及其热影响区和附近的母材上喷涂一层电位比基体金属更低的金属，被喷涂上的金属在介质中成为新的阳极，则可以用牺牲阳极的方式保护基体金属1515。 （ 8）喷丸处理 以压缩空气为动力，将弹丸喷射至焊缝表面及周围，使被喷射部位发生加工硬化，产生压缩残余应力；与此同时，焊缝表面和焊趾部分也因弹丸的冲击作用而变得光滑圆顺。由此可知，喷丸处理具有改变焊缝应力分布及改善焊缝形状参数的双重作用。 1.3 本文的研究目标及内容 本 论文 要解决的问题是：了解激光喷丸这种新型表 面强化技术改善材料机械性能的原理，强化激光喷丸参数（如功率密度、光斑尺寸、脉冲时间等）对焊接接头处理区残余应力分布影响规律的认识，并了解应用此项技术改善应力腐蚀开裂敏感性的相关机理。 nts南京工业大学本科毕业论文 6 本文的主要研究内容包括： 第一章简要评述了奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂机理、消除残余应力的主要方法等方面的发展现状。 第二章介绍 弹丸喷丸和 激光喷丸的机理。 第三章 简单 介绍 了有限元和 有限元 分析 软件 ABQUS 以及激光喷丸的有限元分析模型。 第四章应用二维有限元模拟不锈钢单点激光喷丸，对此模拟过程做了详细介绍。计算获得残余应力场并分析 其规律 第五章对 304 奥 氏体不锈钢 进行 单点 激光冲击强化 试验 ， 应用 进行了残余应力测定， 并 与 有限元模拟 计算结果进行 比较。 第 六 章总结 了 全 文的主要研究内容 和结论。对喷丸技术在抗应力腐蚀领域的应用前景 进行 了 展望 。nts第二章 激光喷丸的机理 7 第二章 激光喷丸的机理 2.1 弹丸 喷丸 2.1.1 弹丸 喷丸的原理 弹丸 喷丸是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余应力分布，从而提高工件强度和抗应力腐蚀能力的一种表面处理方法。塑性形变层的深度是指自表面到在光学显微镜下可以明 显分辨出塑性变形的区域的距离。塑性形变 层 深 度通常在 0.1 0.8mm 之间，具体情况视所选择的工艺参数而定。 弹丸流撞击工件时，每个弹丸颗粒都按一定方向撞击工件表面，然后从另一个方向弹出，它的一部分动能为工件所吸收。工件表层产生弹、塑性变形，其结果除在表面留下凹穴外，主要体现在组织结构和残余应力场的变化。喷丸后的表面残余应力场都呈现一定深度的压应力，有利于提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 2.1.2 弹丸 喷丸的工艺参数 弹丸 喷丸的工艺参数有以下几个： 1）喷丸强度 喷丸强度是工件喷丸强化程度的一种量度。喷丸强 度的标准和测试方法要求简单易行，具有相对可比性，又能紧密联系喷丸强化的实际机理，反映喷丸残余应力场的主要特征。 2）覆盖率 覆盖率是指被处理工件表面经喷丸处理后弹丸压痕面积与被喷丸工件表面积的比值。 国际上通常根据 SAEJ443 标准来测量覆盖率。测量的要点是把经研磨的Almen 试片喷丸后，放大 50 倍测量其弹丸压痕面积。因很难保证覆盖率为 100%，故实际把 98%的覆盖率定义为全覆盖率。大于 100%覆盖率的定义则为：以 100%覆盖率所用喷丸时间的倍数来表示，例如 200%的覆盖率意味着喷丸时间为达到100%覆盖率 所需喷丸时间的两倍。 nts南京工业大学本科毕业论文 8 3）弹丸质量 弹丸的质量和速度决定了喷丸强化效果的稳定性。对一定的喷丸设备和工件而言，弹丸质量对喷丸强化效果影响很大，一般规律是： （ 1）弹丸直径小，工件表面残余应力较高，但塑性形变层较浅。 （ 2）弹丸直径大，工件表面残余应力较低，但塑性形变层较深。 （ 3）弹丸硬度高，喷丸强度也高。 （ 4）弹丸直径增大，喷丸强度也增大。 （ 5）弹丸速度增加，喷丸强度、表面压应力和塑性形变 层深 度均增加。 2.1.3 弹丸 喷丸提高抗应力腐蚀能力的机理 喷丸过程中，经受循环塑性变形的表面层根据材料的不同将 发生以下一种或几种变化 16, 17, 18： （ 1）表面层内形成残余压应力场，如图 2.1 所示。 （ 2）表面层材料的亚结构（亚晶粒）尺寸和晶格点阵发生变形，如图 2.2 所示。 图 2.1 表面层内形成残余压应力场 图 2.2 表面层材料的亚结构（亚晶粒） （ 3）塑性变形诱发相变。 （ 4）塑性形变层内材料密度提高。 应力腐蚀都是从金属表面开始的，表面呈拉应力状态时，腐蚀进程加快；反之，表面的压应力能阻止腐蚀发展。因此，金属的表面应力性质对应力腐蚀影响重大。喷丸作用是使金属表层残余应力从拉应力转变成压应力，阻 止腐蚀发展，从而大大提高金属的抗应力腐蚀能力。对于焊接构件来说，喷丸将焊接残余拉应力转变成压应力，能大大遏制应力腐蚀。喷丸强度增大，强化层就加深，压应力增大且压应力控制范围沿纵向方向移动，压应力区扩大，抗应力腐蚀能力就增强。 nts第二章 激光喷丸的机理 9 喷丸后表面除外形的变化外，组织结构也发生变化，位错数增多，并出现亚晶界和晶粒细化现象。喷丸后的零件如果又受到交变载荷或温度变化的影响，结构将再度改变，因为喷丸引起的组织结构有向稳定态转化的趋势。晶体产生滑移，结果使亚晶粒内位错密度增加，产生晶格畸变 (原子面间距改变 )，使表层晶粒的形状和 排列都发生变化，从而提高了表面的显微硬度。表层的材料组织结构的表面残余应力场都呈现一定深度的压应力，达到提高零件的疲劳强度和增加抗腐蚀性的目的。 喷丸过程中弹丸的一部分动能被零构件表层吸收，使表层材料在再结晶温度下产生塑性形变 （ 冷作硬化层 ） ，呈现理想的组织结构 （ 组织强化 ） 和残余应力分布 （ 应力强化 ） ，从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。目前，喷丸强化工艺广泛应用于航空、航天、汽车、核动力、兵器、石油、煤炭、化工、机车、工程机械、汽轮机、农机、塑料模具、电气开关等众多工业部门。对碳钢、合金钢、铝合金、铁合金、 铁基热强合金以及镍基热强合金等材料抗交变载荷的疲劳寿命都能得到显著的提高，有的达几倍、甚至十几倍以上。 金属表面经喷丸后将产生残余应力即强化。成为延长疲劳寿命最有效的途径。 金属件所能达到的典型特性改善见下表。 表 2.1 许用应力增大事例 （ RPIVATE） 材料 未处理 （磅 /英寸 2） 处理后 （磅 /英寸 2） 增率 （ %） 碳素弹簧钢 （ SAE 1974） 75,000 115,000 54 合金弹簧钢 （ SAE 6150） 70,000 115,000 60 不锈钢 （ 302 型） 45,000 90,000 100 磷青铜 （ SAE B1） 15,000 30,000 100 2.1.4 传统 弹丸 喷丸强化工艺的不足 传统喷丸强化工艺因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但它还主要存在以下不足 19： （ 1）受 构件 凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷射死角，造成无法实施喷丸强化或喷丸强度不足。 nts南京工业大学本科毕业论文 10 （ 2）受喷丸强化表面粗糙度的限制。 （ 3）受气动高强度喷丸效率低的限制。 （ 4）受环境污染的限制。 因此，发展喷丸强化新工艺，研制喷丸强化新设备，提高强化效果，增大能量效 率，提高产品质量，进一步扩大喷丸强化应用领域，实现绿色喷丸强化，是当前急待解决的新课题。 2.2 激光 2.2.1 激光 原理简介 激光是 20 世纪 60 年代初期发展起来的新型相干光源。 激光 （ Laser） 是由英语词组“ Light amplification by stimulated emission of radiation”（通过 光的受激发射的光放大）中主要单词开头字母的组合而成的。这个词组的含义 已经对下面要说的激光器作用原理做出了极其简略而又确切的解释 20： 光通过物质而受激发射，所以我们就把这种发射 称作激发辐射或感应辐射。这种发射放大了同样波长的光。发射是建立在光和物质之间相互作用的基础之上的，进而可以把光看作是电磁波，它与其它电磁波例如无线电波或伦琴射线的区别仅在于波长上。只是为了解释少数几个概念，例如噪音，才有必要回到光的微粒观念上来谈到关于光子。光子的能量是通过定律： =Eh （ 2-1） 而总结出的。在这里， h 是普朗克常数 ， 是频率。频率为 的经放大的光是在具有激光激活物质的谐振 腔 内这样被反射的：它在激活物质中重新会激起光发射。这样就形成了振荡。由一个光放大器和一个谐振腔组成的系统具有振荡器 （ 例如，就像我们在通讯技术中所知道的那种振荡器 ） 的特性。这里就运用动量守恒的基本定律 20-21。因此，就会出现：能量必定供给激光激活物质，并以此放出能量。 激光与普通光源相比，它有着单色性好、方向性好、亮度高等突出的优点。激光的问世导致了光学技术的革命性飞跃，为人们研究物质结构以及许多 基本物理现象提供了崭新的方法和手段，同时也对许多技术科学及应用产生了极其深远的影响。在无线电和微波波段，通过经典发射源（运动电荷）可以获得单色的相nts第二章 激光喷丸的机理 11 干电磁波。在过去的一个多世纪中，人们利用这种相干的电磁波发展起了整个电子工业，它在工业化和科学技术中所占据重要地位，是人所共知的。可是，在激光问世以前，人们还没有办法获得光频波段的强相干光。 第一台激光器是 1960 年诞生的 ， 这是 20 世纪最为重大的发明之一。这台激光器以红宝石为工作物质，以强光为激励源。红宝石是一种人工制造的晶体，它的主要成份是氧化铝。纯净的氧化铝晶 体叫刚玉，是无色透明的。如果里面掺了少许氧化铬，就是红宝石。用氖灯的光照射红宝石就可以产生出激光。 2.2.2 激光的特性 激光还有许多其他的优点。这也是激光得到广泛应用的原因 21。 （ 1）良好的单色性 白光是有多种颜色的光按照一定的强度比例混合而成的。每种颜色的光具有一定的波长。如红光的波长在 0.670.76m 范围内 ； 蓝光的波长在 0.43 0.45m范围内；绿光的波长在 0.50 0.70m 范围内。所谓单色性是指光源发射的光波长范围很 小 ， 在 10-10m 左右。 光源的单色性在许多方面部有着重要的应用。例如在光学加工和精密机械制造工业中。要求测量的精度在 1m 以内 ， 通常采用米尺和其他工具是不能达到的。 （ 2）良好的方向性 具有良好方向性的光束可以保证其传输较远的距离。几乎所有的普通光源都是向着四面八方发光。光线射得越远。光的亮度就变得越弱。而激光的光束几乎只沿着一个方向传输，因此激光是射得最远的光源。它可以从地球射到月亮，长达 40 万公里，这是手电筒和探照灯绝对无法相比的。这种良好的方向性使得激光在测距、通信、定位等方 面 发挥着巨大的作用。 （ 3）高亮度 激光的高亮度特性。在激光切割 和 激光 焊接 应用等方面有着重要的应用。为了解决人类当前面临的能源危机。科学家们已经开始利用高亮度的激光来引发热核聚变 ， 使氚和氘聚变成氦和中子后释放出大量的能量。超强度的激光已经作为“死光”武器。用以摧毁敌人的坦克、飞机、导弹甚至卫星。 （ 4）极好的相关性 nts南京工业大学本科毕业论文 12 普通光源各发光中心相互独立，发射出的各列波的相位没有固定关系，而激光的各列波在很长 的时间内存在恒定的相位差，具有很好的相干性。光源的相关性在很多方 面具有重要的应用。例如用来精确测量距离的迈克尔逊干涉仪就是利用激光的相干 性来进行测量的。 2.3 激光喷丸 激光喷丸作为激光表面强化技术的一个重要分支，与其它激光表面强化技术不同，激光喷丸是利用强激光的“光力学效应”进行强化，即将光能转化成机械能来达到强化目的。而其他激光表面强化技术是直接将光能转化为热能来达到强化的目的，如激光相变硬化、激光熔化凝固硬化、激光合金化、激光熔覆等。故而，将激光喷丸处理工艺归结为冷加工工艺。 2.3.1 激光喷丸 强化原理 激光冲击处理于 1972 年由巴特尔研究所发明。于 20 世纪 70 年代后期首次投入潜在应用。当时就发现，该工艺可以显著提高用飞机结构 紧固件连接的构件中铝合金的耐磨损疲劳性能。进一步的工作演示了对钢、铝合金和焊接件疲劳强度的显著提高。对诸如腐蚀碎裂、磨损、硬度特性以及陶瓷、聚合物材料等的其他领域也进行了有限程度的研究。 激光冲击处理 (又称激光喷丸 )技术是利用强脉冲激光导致的压力冲击波在金属材料表层产生应变硬化的一种新型表面强化技术 22。当材料用激光束加热汽化状态时，产生高达 105 个大气压，基体金属受到高压波的冲击，而使显微组织形成复杂的位错网，从而使材料表面性能 (硬度和疲劳强度 )得到大大改善。尤其是铝合金材料更具有明显的效果。这种方法由 于成本高，效率低，目前主要还处于试验 室研究阶段 23。 当短脉冲 (几到几十纳秒 )的高峰值功率密度 （ 109 cm2） 的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温 （ 10000K） 、高压 （ 1GPa） 的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服极限时，材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。这种新nts第二章 激光喷丸的机理 13 型的表面强化技术就是激光冲击处理 （ laser shock processing） ，由于其强化原理 类似 弹丸 喷丸。因此也称作激光喷丸 （ laser shock peening） 24, 25, 26, 27, 28。 金属表面经过激光束的冲击作用 ， 形成一层比喷丸处理更深的压应力层，这种压应力的较深渗透可提高材料的耐疲劳性和磨损疲劳损伤。引 伸 出去，也可提高材料的耐应力腐