灰铸铁表面组织形态的热/力重构与性能研究

摘要

灰铸铁因其良好的机械性能而广泛应用于零部件中，但是由于其碳含量较高，且大部分碳以片状石墨的形式分布在基体中，严重割裂了基体的连续性，危害了基体的强度和韧性。因此，为了提高灰铸铁的强韧性，需要通过改变或细化灰铸铁组织中石墨相的形态来实现。本文采用激光熔凝、激光冲击和石墨化退火的复合工艺对灰铸铁表层进行热力改性，实现了改善灰铸铁表层的石墨形态和基体组织的目的，提高了灰铸铁的性能。本文模拟了激光熔凝和激光冲击过程中残余应力的变化，通过实验研究了激光熔凝、激光冲击和石墨化退火工艺参数对组织和性能的影响，以及激光熔凝过程中组织中石墨向渗碳体形态的转变，同时分析了石墨化退火后熔凝-冲击层中渗碳体向细小团絮状石墨的转变。 利用ABAQUS有限元模拟软件对激光熔凝过程中灰铸铁表层的温度场及应力场进行模拟。结果表明，激光熔凝过程中，熔池能够在极短的时间内升至2380℃左右，此温度值远远超过了灰铸铁的熔点(1270℃)。随着激光功率的增加，熔池温度也随之升高，激光光斑离开后，熔池迅速冷却，由此而产生残余拉应力。激光功率越大，残余拉应力越大。为了降低激光熔凝产生的残余拉应力对灰铸铁性能的影响，对熔凝表面进行激光冲击处理，并对该过程进行模拟，结果表明激光冲击能够有效将熔凝层内的残余拉应力转变为残余压应力，激光冲击能量越高，熔凝层中诱导产生的残余压应力越大。 实验结果表明，当采用激光功率P=1500 W，激光扫描速度v=5 mm/s进行激光熔凝实验时，可获得表面平整、熔池尺寸较佳的熔凝层。由扫描电镜结果可知，灰铸铁激光熔凝后，熔凝层中片状石墨发生分解，且组织向长条状渗碳体和共晶莱氏体转变。热影响区主要由渗碳体、片状马氏体和残余奥氏体，以及未转变的片状石墨组成。熔凝层形成的碳化物组织使表层显微硬度大大提高，最高达到750 HV0.2。随后采用激光冲击的方法，一方面能够在熔凝表层一定深度内诱导产生塑性变形，减小熔凝层中残余拉应力的危害，有效减小熔凝层中表面裂纹的萌生和扩展；另一方面激光冲击后熔凝层内渗碳体组织细化和分解，有效提高了熔凝层的性能。激光冲击后，熔凝层的硬度进一步增加最高硬度达到1100 HV0.2，熔凝层摩擦系数减小，耐磨性能提高。 激光熔凝-冲击后，灰铸铁表层由于渗碳体的存在，硬度较高脆性较大，使改性层的应用条件受到限制。通过石墨化退火处理，可以减少熔凝层中硬脆的渗碳体组织，适当降低改性层的显微硬度，同时将渗碳体向团絮状石墨转变，以达到改善综合性能的目的。实验研究了石墨化退火温度对改性层组织转变和析出石墨的大小、形态和数量的影响，同时讨论了激光冲击作用对石墨化退火过程的影响，结果表明激光冲击作用能够加快退火过程中渗碳体的分解，促进团絮状石墨形核，增加析出石墨数量。在800℃下保温3 h后，激光熔凝-冲击层中的渗碳体组织分解完全，析出的铁素体组织晶粒细小，新生的石墨在铁素体晶粒内形核并成细小的球状，在此工艺下获得的改性层硬度为 425 HV0.2。经过石墨化退火后的改性层在摩擦磨损后表面产生的裂纹减少，提高了改性层的耐磨性能。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.1.1 灰铸铁材料特性

1.1.2 灰铸铁改性方法

1.2 灰铸铁表面改性研究现状

1.2.1 激光熔凝与激光冲击

1.2.2 固态石墨化退火工艺

1.2.3 激光作用过程数值模拟

1.3 研究意义及主要研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

第二章 激光熔凝和激光冲击过程的热/力数值模拟

2.1 引言

2.2 激光熔凝过程有限元分析

2.2.1 有限元模型的建立和材料参数的确定

2.2.2 有限元网格的划分与初始边界条件设置

2.2.3 激光熔凝温度场分析

2.2.4 激光熔凝应力场分析

2.3 激光冲击熔凝表面有限元分析

2.3.1 激光冲击模型选用

2.3.2 激光冲击载荷的施加

2.3.3 激光冲击后残余应力分析

2.4 本章小结

第三章 实验材料与实验方法

3.1 实验材料

3.2 实验设备

3.2.1 组织观察与物相检测

3.2.2 显微硬度测试

3.2.3 残余应力测试

3.2.4 耐磨性能测试

3.3 实验方法

3.3.1 激光熔凝实验方案

3.3.2 激光冲击实验方案

3.3.3 石墨化退火实验方案

第四章 激光熔凝和激光冲击微观组织和性能研究

4.1 激光熔凝灰铸铁的微观组织研究

4.1.1 激光熔凝参数对熔凝后表面宏观质量的影响

4.1.2 激光熔凝参数对熔凝层横截面形貌的影响

4.1.3 熔凝层物相和组织分析

4.1.4 熔凝层非平衡凝固组织形态

4.1.5 熔凝层石墨相变

4.2 激光冲击后熔凝层微观组织研究

4.2.1 激光冲击诱导表面残余应力

4.2.2 激光冲击后熔凝层XRD

4.2.3 激光冲击后熔凝层金相组织变化

4.3 显微硬度测试

4.4 摩擦磨损测试

4.5 本章小结

第五章 灰铸铁激光改性表面石墨化退火研究

5.1 引言

5.2 退火温度对物相和组织的影响

5.2.1 改性层基体组织的变化

5.2.2 改性层石墨相变

5.3 激光冲击作用对石墨化退火的影响

5.3.1对退火时间的影响

5.3.2对石墨形核的影响

5.4 石墨化退火后灰铸铁表面性能分析

5.4.1 表面显微硬度

5.4.2 摩擦磨损性能

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其他科研成果