T10钢和3Crl3钢激光淬火及其温度场数值模拟研究

摘要

激光表面淬火是材料表面改性的高新技术，与其他表面淬火工艺相比，激光淬火的优势在于，能大幅度细化材料表面组织、提高其硬度，保持材料心部的韧性，从而达到较好的硬度和韧性匹配;并能较大幅度的提高零件的耐磨性能、冲击性能和疲劳强度等机械性能。虽已经过三、四十年的发展，但由于激光淬火的特殊性，激光功率、扫描速度及光斑直径等工艺参数的选取并没有一个明确的标准，其工艺并不十分成熟，尤其是大面积激光淬火的相关工艺还有待进一步研究。
　　本文采用大功率CO2激光器分别对T10钢和3Cr13钢进行了单道扫描激光淬火处理，研究了不同工艺参数对淬硬层组织、硬度及深度的影响;在此基础上，制定了其大面积激光淬火工艺，探讨了道间距对淬硬层组织及其硬度的影响;同时，建立了试验条件下激光热源的有限元模型，利用ANSYS有限元软件对其激光淬火过程中温度场进行了数值模拟。
　　研究结果表明:
　　(1)在激光功率P=3kW、扫描速度v=250mm/min条件下，T10钢和3Cr13钢单道扫描激光淬火时都能达到淬硬层深度和硬度的良好配合。此时，T10钢的淬硬层组织主要为片状马氏体+残余奥氏体+少量碳化物;3Cr13钢淬硬层组织主要包括细马氏体+残余奥氏体+碳化物+珠光体。
　　(2)激光功率P=3kW时，T10钢表面硬度变化随扫描速度增大存在一个极大值，而3Cr13钢表面硬度对扫描速度变化不敏感;当激光功率P=2.8kW时，T10钢表面硬度对扫描速度变化不敏感，而3Cr13钢则存在一极大值。
　　(3)当扫描速度较小时，淬火层最大硬度出现在次表层，扫描速度较大时，最大硬度则出现在最表层。在激光功率相同的情况下，淬火层深度与扫描速度近似呈双曲线关系。
　　(4)多道扫描激光淬火时，淬火区和回火区交替存在。对于T10钢，回火区中马氏体形态开始消失，甚至出现回火索氏体及铁素体组织，而回火区硬度在深度方向呈递增趋势。3Cr13钢淬火后组织及硬度值相比于单道淬火时变化较小。T10钢淬火层底部平整性对道间距大小的敏感性比3Cr13钢大。
　　(5)利用ANSYS有限元软件能够较好的预测淬火层深度及宽度，并反映硬化层形貌。在激光扫描过程中，3Cr13钢激光热源前端温度梯度比T10钢大，而其后端温度梯度比T10钢小。
　　(6)多道扫描激光淬火时，试件中心线上的温度比“弓”字形路径的拐角处低。中心线上点的热循环曲线与非中心线上点的热循环曲线具有不同的形态，前者的温度峰值近似呈等距离的间隔分布，而后者则以两个温度峰值为一组间隔分布。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 课题研究背景及意义

1．2 激光表面淬火技术

1．2．1 激光淬火的特点

1．2．3 影响激光淬火质量的因素

1．2．4 研究现状及应用

1．3 数值模拟在激光淬火中的应用

1．4 主要研究内容

2 激光表面淬火试验方案

2．1 试验材料及设备

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设备

2．2 激光工艺参数及预处理

2．2．1 工艺参数的选择

2．2．2 材料表面预处理

2．3 试验方案及步骤

3 T10钢激光表面淬火研究

3．1 单道扫描激光淬火

3．1．1 显微组织

3．1．2 淬火层硬度

3．1．3 淬硬层深度

3．2 多道扫描激光淬火

3．2．1 宏观形貌

3．2．2 显微组织

3．2．3 淬火层硬度

3．2．4 淬硬层深度

3．3 本章小结

4 3Cr13钢激光表面淬火研究

4．1 单道扫描激光淬火

4．1．1 显微组织

4．1．2 淬火层硬度

4．1．3 淬硬层深度

4．2 多道扫描激光淬火

4．2．1 宏观形貌

4．2．2 显微组织

4．2．3 淬火层硬度

4．2．4 淬硬层深度

4．3 本章小结

5 激光表面淬火过程仿真

5．1 数值模拟过程

5．1．1 几何模型的建立

5．1．2 有限元模型的建立

5．1．3 材料物理性能参数

5．1．4 热源模型及其加载

5．1．5 边界条件

5．1．6 相变潜热的处理

5．1．7 求解及后处理

5．2 单道扫描数值模拟结果及分析

5．2．1 温度场分布

5．2．2 激光淬火中的热循环

5．2．3 淬火层横截面形貌

5．3 多道扫描数值模拟结果及分析

5．3．1 温度场分布

5．3．2 热循环过程分析

5．4 误差分析

5．5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献