塑料模具钢的激光相变硬化模拟研究

摘要

本文作者采用YAG固体激光器对718、738两种塑料模具钢进行了表面相变强化处理，应用ANSYS有限元分析软件，对两种塑料模具钢在激光照射条件下产生的温度场、由温度场产生的应力场进行了瞬态分析。计算得到了瞬态加载条件下产生的温度分布和应力分布。结果表明当激光参数恒定时，表面移动热源在工件内部沿移动方向所产生的热影响不随位置的变化而变化。激光处理过程中有热量由表及里的滞后传递现象。表面最高温度的中心偏于束斑的后侧，前侧的温度梯度相对较低，而后侧的温度梯度则变陡。温度场的分布是从非稳态到稳态，再到非稳态的；激光扫描时光斑内部出现压应力，沿扫描方向应力最为突出；在光斑外部，随着距离增加，压应力不断减小，拉应力不断增加； 利用激光相变硬化工艺，在718和738钢表面获得了硬化层，考察了激光不同扫描速度对硬化层硬度、厚度和宽度的影响。结果表明在激光功率和光斑直径保持恒定的情况下，硬度随着扫描速度的提高先增加，到达一个最大值后再逐渐减少；表面硬度平均高达700HV，为基体硬度的1.5倍。硬化层厚度约为0.3-0.5mm，宽度在0.3-0.5mm之间。 对激光相变处理后两种钢的硬化层进行了滑动磨损试验。在本试验的条件下，经激光相变处理过试样硬化层的滑动摩擦系数明显比未处理过样品的摩擦系数要小的多，显著的提高了材料的耐磨性；硬化层的滑动摩擦系数较小，硬化层的耐磨性较好；研究了不同扫描速度对718钢的抗磨损性能的影响。在激光功率和光斑直径保持恒定的情况下，磨损失重随着扫描速度的提高先增加后减少。用扫描电子显微镜观测了硬化层表面形貌，观察发现：硬化层磨痕均为典型的平行犁沟状，表明硬化层的磨损机理为磨粒磨损。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2塑料模具钢的应用现状及传统处理方法

1.2.1我国模具钢生产与发展现状

1.2.2国外模具钢的发展

1.2.3国内外模具钢应用及发展之比较

1.2.4传统加工方法技术及缺陷

1.3激光相变硬化的原理及优点

1.3.1激光淬火的热循环过程

1.3.2激光淬火区的组织结构

1.3.3激光淬火提高材料性能的机理

1.3.4相变及其标准的确定

1.3.5激光相变硬化优点

1.4激光相变硬化的模拟研究

1.4.1温度场研究的国内外发展概况

1.4.2应力场研究的国内外发展概况

1.4.3数值模拟的各计算方法和比较

1.4.4有限元计算原理的要点

1.4.5有限元法的计算步骤

1.4.6三种基本的传热方式

1.5本课题的来源及主要的研究内容

1.5.1课题来源

1.5.2研究内容

1.5.3研究方法

第二章激光相变硬化的温度场模拟

2.1试验方案

2.2试验条件的确定

2.2.1单元划分

2.2.2实验中的假设条件

2.2.3边界条件的确定

2.2.4激光能量转换系数η的确定

2.2.5材料热参数和结晶潜热的处理

2.3材料成分及热物性参数

2.3.1 718模具钢材料参数

2.3.2 738模具钢材料参数

2.4实验结果与分析

2.4.1沿层深方向的温度分布及其变化

2.4.2沿扫描方向的温度分布及其变化

2.4.3激光扫描至不同表面位置时温度场的分布

2.4.4不同截面的温度场分布

2.4.5距离表面不同深度平面上的温度分布

2.5硬化层的模拟

2.6实验结果

第三章激光相变热应力的模拟

3.1激光相变硬化应力场的计算方法

3.1.1计算方法

3.1.2 ANSYS间接法的主要步骤

3.2性能参数、边界条件的确定和施加载荷

3.3热应力分析流程图

3.4扫描时热应力的模拟结果和分析

3.4.1光斑扫描时应力大小的分布特点

3.4.2扫描时光斑内部热应力的分布状态

3.4.3光斑扫描时光斑外部热应力的分布状态

3.4.4冷却时工件表面的应力变化

3.4.5 718与738的热应力的比较

3.4.6光斑中心线上的等效应力分布

3.5本章小结

第四章硬化层性能的研究

4.1引言

4.2试验方法

4.2.1试验设备

4.2.2磨损试样的制备

4.2.3试验步骤

4.3试验结果及分析

4.3.1硬度的分析

4.3.2硬化层深度和宽度的分析

4.3.3硬化层的摩擦学特性

4.3.4滑动磨损特性

4.3.5磨损形貌

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢