H13激光表面淬火数值模拟分析与实验研究

摘要

随着制造业的迅猛发展，模具已成为主要的成型工具，对模具质量的要求也越发提高。H13是压铸模的主要原材料，传统的物理表面处理法提高其表面抗疲劳强度时存在工件变形的困难，而利用激光表面淬火在克服这一困难的前提下，可以进一步改善模具的表面硬度、耐磨性、热稳定性、抗疲劳性以及临界断裂韧度等力学性能。激光表面淬火技术受到多种因素和参数的综合影响，难以通过实验分析激光相变硬化层具体变化过程。本文通过有限元分析方法，对激光表面淬火过程进行温度场数值模拟，利用温度场结果预测硬化层深度。采用CO2激光表面加工系统，对H13工件进行激光淬火实验，验证数值模拟结果对硬化层深度预测的准确性。
　　本文以H13(4Cr5MoV1Si)热作模具钢为分析对象，运用有限元分析方法，模拟激光表面淬火过程H13长方体工件的温度场瞬态变化过程与分布。通过选择不同的激光工艺参数，分析激光扫描过程模型的温度场的变化规律。根据温度场中奥氏体相变等温线预测工件硬化层深和层宽，总体分析硬化型分布均匀性，提出改善硬化分布均匀性的方法。得出以下结论:
　　1、H13激光表面淬火硬化层深度与激光功率成正比，与激光扫描速度和激光直径成反比。
　　2、H13不同厚度试样，对工件温度有一定的影响，厚度越小影响越大，深度方向温度越高。
　　3、恒定的激光扫描速度，会造成工件进出端硬化层过浅与过深，通过分段扫描工艺可改善硬化层纵向分布不均。改变激光形状，使光斑能量分布均匀，可增大横截面内光斑边缘处硬化层深度。
　　4、通过数值模拟数据与实验结果对比，得出H13激光表面淬火的硬化层数值模拟结果可以对实验结果提供一定的参考作用，其准确性需要进一步提高。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据

1．2 激光表面淬火简介

1．2．1 激光表面淬火原理

1．2．2 激光表面淬火过程中材料组织变化

1．2．3 激光表面淬火后材料组织分布

1．2．4 激光表面淬火的应用

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本课题研究目的及意义

1．5 课题主要研究内容

2 H13激光表面淬火数值模拟理论基础

2．1 H13激光表面淬火传热学理论基础

2．1．1 热传递方式

2．1．2 激光表面强化热传导微分方程及其定解条件的确定

2．2 数值模拟过程中的关键问题

2．2．1 激光光源的选取

2．2．2 物理模型

2．2．3 实体单元类型

2．2．4 表面效应单元

2．2．5 相变潜热

2．3 本章小结

3 H13激光表面淬火过程温度场模拟

3．1 温度场模拟方案

3．2 H13模具钢物理参数

3．3 温度场模拟过程

3．3．1 建立有限元模型

3．3．2 加载求解

3．3．3 后处理

3．4 模拟结果分析

3．4．1 激光工艺参数变化对温度场的影响

3．4．2 工件起始温度对温度场的影响

3．4．3 工件厚度对温场的影响

3．5 本章小结

4 H13相变硬化层均匀性分析

4．1 相变硬化层模拟的基本依据

4．2 相变硬化层深与层宽

4．2．1 相变硬化层层深

4．2．2 相变硬化层层宽

4．3 硬化层均匀性分析

4．4 改善硬化层分布均匀性的方法

4．4．1 改善H13横截面硬化层分布均匀性

4．4．2 改善H13纵截面硬化层分布均匀性

4．5 本章小结

5 H13激光表面淬火实验研究

5．1 实验材料和设备

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验设备

5．1．3 实验过程

5．2 实验结果与分析

5．2．1 金相试样的制作

5．2．2 相变硬化区及其组织

5．2．3 显微硬度值及其硬化层深度和宽度

5．3 实验结果与模拟结果的对比

5．3．1 实验结果与模拟结果

5．3．2 工艺参数与硬化层深度相关性分析

5．3．3 误差分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历