45钢激光淬火的模拟研究

摘要

激光表面强化技术是一种先进制造和再制造的技术手段，目前被广泛应用于材料和零件的表面强化、改性和修复等方面。为了更好的了解激光淬火过程中的热作用过程、热量传递的方式和过程、硬化层的分布特点以及激光淬火独特的工艺特点，本文对激光淬火的瞬态温度场和应力场进行研究。因为激光淬火过程会受许多参数的影响，并且具有快速加热和快速冷却的特点，所以很难通过试验直接测量其瞬时温度和热应力的分布情况。本文是采用有限元分析软件ANSYS，对45钢的激光淬火过程的温度场和热应力场进行数值模拟和分析，主要内容如下:
　　(1)研究了激光淬火的相关机理，还有数值模拟的相变潜热、热物性参数、激光能量转换系数、数值模拟的热源模型以及网格划分等的处理。
　　(2)根据激光淬火的工艺过程特点，对ANSYS中建立的三维实体模型进行网格划分，对激光束作用的区域划分了相对较细致的网格，以提高分析精度和准确性。加载后求解，得到激光淬火过程的三维瞬态温度场，可以观察整个激光淬火过程中,试件中温度场的变化状态，可以更加直观的研究激光淬火技术过程。还可以观察某一时刻温度场的分布情况，使用剖面命令可以观察到沿激光扫描方向和垂直于激光扫描方向的试件剖截面上的温度场分布情况。
　　(3)在分析出的温度场基础上，计算了文中参数条件下，激光淬火产生的硬化层基本形态尺寸，总结了激光淬火工艺的硬化层的分布规律。研究不同激光功率对硬化层尺寸的影响。并提出了一些可行的优化硬化层均匀性的方法，例如:采用功率密度均匀分布的曲边矩形激光光斑、分段变速扫描的方法、使激光的功率密度呈“马鞍形”分布或优化激光淬火过程的P-v组合。
　　(4)基于求得的激光淬火温度场，采用间接法进行热-结构耦合的分析计算，将求出的温度场作为载荷加载在三维模型上，并定义边界条件，最后求出激光淬火过程的热应力场分布。热应力主要集中在激光光斑的作用区域附近，离光斑作用区越远，应力就越小;激光作用区产生压应力，随着试件的自冷作用，压应力逐渐减小，甚至变为拉应力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 激光表面处理的原理及特点

1．2．1 激光与金属材料相互作用的物理过程

1．2．2 激光快速加热对材料相变的影响

1．3 数值模拟研究的方法

1．3．1 有限差分法

1．3．2 有限单元法

1．3．3 有限差分法和有限单元法的比较

1．4 激光淬火模拟研究的国内外发展概况

1．5 本课题的主要的研究内容

第2章 激光淬火的理论基础

2．1 激光淬火的原理及其特点

2．1．1 激光淬火的基本概念

2．1．2 激光表面淬火的特点

2．1．3 激光淬火提高材料性能的机理

2．1．4 激光淬火前的预处理

2．2 传热学的理论基础

2．2．1 热传导

2．2．3 热辐射

2．2．4 热传导微分方程

2．3 激光淬火的热弹塑性模型

2．3．1 热弹塑性力学基本理论

2．3．2 热弹塑性力学的有限元法

2．4 ANSYS有限元分析软件及其特点

2．5 本章小结

第3章 激光淬火温度场的有限元模型

3．1 ANSYS热分析概述

3．2 相关模拟参数的确定

3．2．1 材料的热物性参数

3．2．2 相变潜热的处理

3．2．3 相变硬化层的界定

3．2．4 激光能量转换系数η的确定

3．3 激光淬火三维瞬态温度场的有限元模拟

3．3．1 前处理

3．3．2 加载计算

3．3．3 后处理及模拟结果

3．4 本章小结

第4章 硬化层的基本尺寸和均匀性分析

4．1 激光淬火硬化层特性

4．2 硬化层的模拟结果

4．3 激光淬火的激光功率对硬化层的影响

4．4 改善硬化层分布均匀性的方法

4．4．1 改善横截面硬化层的分布均匀性

4．4．2 改善纵截面硬化层的分布均匀性

4．5 本章小结

第5章 激光淬火热应力的模拟

5．1 热应力的产生

5．2 热应力的分析方法

5．3 间接法热应力分析的步骤

5．4 定义边界条件和施加载荷

5．5 热应力的模拟结果和分析

5．6 本章小结

第6章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢