微织构激光制备及其对硬质合金表面疲劳磨损的影响研究

摘要

硬质合金由于其高硬度、耐磨性好及耐高温等优点广泛应用于刀具切削领域，微织构作为一种仿生学结构造型设计，其制备于刀具材料表面具有减小切削过程摩擦力、降低切削温度、延长刀具使用寿命及提高工件材料表面加工质量等众多优点。
　　本文首先分析了激光与材料相互作用机理，建立了激光加工传热模型及热应力分析模型，确定了激光加工微织构的热源模型及材料表面对激光能量的吸收率模型，确定了加工过程中模型的边界条件。
　　其次通过ANSYS有限元仿真软件，研究不同微织构制备参数下材料内部温度场及应力场的分布状态，结果表明，随着激光功率的增大，材料表面瞬时温度及应力范围都相应增大;随着激光扫描速度的增大，结果反之;随着激光光斑直径的增大，瞬时温度呈减小趋势，应力影响范围变化不大;织构间距增大，织构间受温度影响先增大后保持不变，应力影响范围先增大后保持不变。
　　搭建摩擦磨损试验平台，研究了载荷和摩擦速度对摩擦性能的影响规律，确定摩擦参数为摩擦力80N、摩擦速度为80r/min;设计正交试验制备不同微织构参数硬质合金试样，在定摩擦参数下进行摩擦磨损试验，结果表明:激光功率P对摩擦系数及摩擦力的影响最大，扫描速度V次之，其次为织构间距，织构直径对摩擦系数及摩擦力的影响最小;根据极差分析及方差分析结果，确定正交试验中最佳的参数组合为P=40W、V=150mm/s、D=60μm、L=250μm。
　　通过疲劳磨损理论与实验相结合的方法，结果表明微织构表面相比于光滑表面，其表面疲劳磨损量降低了38.4％;基于SEM分析，分别对光滑表面试样及微织构表面试样的疲劳磨损机理进行了分析，在摩擦磨损过程中，硬质合金微织构具有储存磨粒磨屑的作用，从而减缓了摩擦副表面的磨损，有利于改善材料表面的疲劳性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．1．3 研究的目的和意义

1．2 国内外在该方向的研究现状及分析

1．2．1 微织构刀具研究现状

1．2．2 激光表面改性研究现状

1．2．3 激光加工数值模拟及应力场研究现状

1．2．4 材料表面疲劳磨损研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 激光与材料相互作用基本原理

2．1 激光与材料相互作用机理

2．1．1 激光表面强化机理

2．1．2 激光蚀除材料机理

2．2 激光加工传热模型

2．2．2 热传导模型

2．3 热应力分析模型

2．4 Ansys激光加工数值模拟相关处理

2．4．1 激光热源模型及加载方式

2．4．2 模型边界条件的设置

2．4．3 实体单元类型的选择

2．5 本章小结

第3章 激光制备微织构有限元仿真

3．1 仿真条件假设

3．2 模型建立及边界条件确定

3．3 激光工艺参数对材料温度场及应力场的影响

3．3．1 激光功率对温度场及应力场的影响

3．3．2 扫描速度对温度场及应力场的影响

3．4 微织构尺寸参数对材料温度场的影响

3．4．1 微坑直径对材料温度场的影响

3．4．2 微坑间距对材料温度场及应力场的影响

3．5 本章小结

第4章 微织构制备及摩擦磨损试验

4．1 实验材料及试样制备

4．1．1 实验材料

4．1．2 试样制备

4．2 试样表面处理

4．2．1 表面抛光

4．2．2 超声清洗

4．3 夹具设计及试样制备

4．4 载荷和摩擦速度对摩擦性能的影响

4．4．1 载荷对摩擦性能的影响

4．4．2 摩擦速度对摩擦性能的影响

4．5 激光制备对微织构表面摩擦性能的影响

4．5．1 正交实验设计

4．5．2 极差分析

4．5．3 方差分析

4．5．4 试验结果分析及讨论

4．6 本章小结

第5章 硬质合金微织构摩擦磨损疲劳分析

5．1 疲劳磨损理论

5．1．1 疲劳裂纹扩展点蚀理论

5．1．2 摩擦温度形成点蚀理论

5．1．3 最大剪应力理论

5．1．4 剥层理论

5．2 磨损量分析

5．2．1 理论分析

5．2．2 实验对比

5．3 光滑试样表面疲劳磨损

5．3．1 光滑表面磨损SEM分析

5．3．2 光滑表面磨损机理分析

5．4 微织构试样表面疲劳磨损

5．4．1 织构表面磨损SEM分析

5．4．2 织构化表面磨损机理分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其他成果

致谢