马氏体不锈钢激光淬硬和喷丸实验研究与数值模拟

摘要

激光表面硬化作为一种表面处理工艺在工业界有着广泛的应用，然而在局部工件表面淬火区和未淬火区之间不可避免的存在过渡区，由于过渡区存在着数值较大的残余拉应力，导致材料整体性能恶化，从而导致整体工件的运行可靠性降低。而喷丸作为一种简单有效的表面处理方式可以有效改善工件表面过渡区的残余应力分布。本文以表面激光淬火和喷丸处理为研究内容，对17-4PH和AISI4140两种不同型号的钢进行了表面强化的实验和数值模拟分析，对激光淬火和喷丸处理后材料表层残余应力以及材料组织结构的影响进行了系统的研究，并运用有限元分析软件ABAQUS建立了激光淬火有限元模型和激光淬火材料喷丸有限元模型，探讨了不同喷丸条件下喷丸处理对激光淬火材料不同区域残余应力场的影响。
　　17-4PH钢激光淬火实验表明，在激光最大功率为5 kW，激光束尺寸为6 mm×6 mm，光束移动速度为2 mm/s的CO2激光处理后，材料过渡区表面沿光束移动方向上存在着约125 MPa的残余拉应力，并且残余拉应力范围深度至少为500μm。而当经过0.5 mmA+0.1 mmA喷丸强度下，材料过渡区表面光束移动方向上的残余压应力为-711 MPa，残余压应力总体层深约为500μm。这说明合适的喷丸的确可以优化17-4PH激光淬火钢的表层残余应力场。在进一步的研究中，运用X射线线形分析方法和X射线衍射定量分析对表层微观结构和残余奥氏体在喷丸前后的变化进行了探讨。发现无论激光淬火区还是基体区，经过不同强度喷丸后都能使受喷面晶块细化，显微畸变和位错密度增高，受喷表面晶块尺寸已经达到纳米尺度。表面位错密度比喷丸前增加至少一个数量级。残余奥氏体在经过0.5 mmA+0.1 mmA喷丸强度处理后几乎完全消失。激光淬火17-4PH在492 MPa弯曲载荷下疲劳测试平均寿命(4.98×105)比未经淬火17-4PH在相同弯曲载荷下疲劳寿命(107)下降1个数量级。而激光淬火17-4PH经过0.2 mmA+0.1 mmA和0.5 mmA+0.1 mmA喷丸强度处理后，其平均疲劳寿命分别为1.33×107和1.77×107。这说明喷丸处理的确能够大大改善激光淬火材料疲劳寿命，运用较大的喷丸强度处理后的样品具有更大的最大残余应力值和更深的塑性变形区域，因而疲劳寿命提高更为明显。
　　在综合考虑温度场，组织场，硬度和残余应力场之间的相互作用条件下，本文建立了三维耦合激光淬火模型，并对AISI4140钢激光淬火过程中的温度、相变、硬度及残余应力进行了预测并选取了和模型尺寸和材质完全相同的实物对模拟结果进行了验证。结果表明，此模型准确的预测激光淬火过程中的温度场、激光淬火后硬度和物相分布。而残余应力实验值和模拟值的差异的原因可能有两种，一种可能为本文所选取的材料平均相变塑性应变参数值偏小；第二种可能为忽略奥氏体化过程中相变塑性应变。在进一步对不同激光移动速度下模型温度场的分析后，发现激光淬火过程中表面最高温度并不出现在光束中心，而是在距激光束中心2 mm的地方，且不随着光束移动速度的变化而改变位置。在保证激光束最高温度恒定情况下，不同移动速度对于升温速率影响更加显著，而降温速率则相对稳定。材料本身性质和热边界条件是影响降温速率的主要因素，激光束移动速度为次要因素。
　　激光淬火材料的喷丸模型是建立在激光淬火材料AISI4140各项分析的基础上，创新性的在喷丸模型中引入了初始残余应力和初始物相分布，用来表征激光淬火样品不同区域残余应力和物相情况。喷丸模型综合考虑喷丸撞击过程中喷丸表面高应变率不规则的弹塑性循环加载而建立的一个合理的用来描述由于应变率变化和温度变化导致的粘滞效果和循环变形行为的材料模型，对激光淬火材料中激光淬火区、过渡区和基体区进行了喷丸模拟及实验验证，并在此基础上运用此模型对喷丸各项参数对最终残余应力的影响进行了系统的研究。结果表明，运用此模型可以对激光淬火材料不同区域内喷丸后残余应力进行准确的预测。无论是激光淬火区或是过渡区，在其他条件相同的情况下，喷丸直接影响层层深(δd)和最大残余压应力深度(δmax)都会随着弹丸速度和弹丸直径的增加而增加。而喷丸表面的残余应力值和最大残余应力值在不同材料区有一个饱和值，当弹丸的动能大到足以产生这个饱和值后，继续增大喷丸速度或弹丸直径并不能改变表面残余应力值和最大残余应力值。经过喷丸后的材料，初始应力并不会影响喷丸直接影响层范围内的残余应力分布，说明在经过喷丸后的材料在材料表层区域可以忽略材料上一步加工所造成的残余应力影响。喷丸处理当中通过增加弹丸覆盖率可以有效的增加表面残余应力值(σs)，最大残余应力值(σmax)，喷丸直接影响层深度(δd)和最大残余压应力深度(δmax)，但这四个参数在弹丸覆盖率大于200％后就几乎不再变化，这种现象可以归结为喷丸撞击在材料表面所造成的材料加工硬化。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1激光相变硬化在国内外的研究和发展现状

1.2喷丸强化在国内外的研究和发展状况

1.3喷丸工艺模拟的研究和发展状况

1.4 选题意义和研究内容

参考文献

第2章 实验过程和模拟方法

2.1 实验材料

2.2实验方法

2.3 AISI 4140钢激光淬火过程模拟

2.4 喷丸过程有限元模拟

2.5 测试方法

参考文献

第3章 17-4PH激光淬火钢的喷丸强化

3.1 喷丸工艺对17-4PH激光淬火钢力学性能的影响

3.2 喷丸工艺对17-4PH激光淬火钢表层组织结构的影响

3.3本章小结

参考文献

第4章 AISI4140钢激光淬火过程模拟及实验验证

4.1力学边界条件

4.2 热力学边界条件

4.3 激光淬火相变场

4.4 激光淬火应力场

4.5 激光淬火硬度场

4.6 温度场的预测与验证

4.7微观硬度与物相的预测与验证

4.8 残余应力的预测

4.9 对于激光淬火过程中材料残余应力的预测

4.10 不同光束移动速度下淬火过程模拟

4.11本章小结

参考文献

第5章 激光淬火钢喷丸过程模拟及实验验证

5.1喷丸模型的建立

5.2 不同区域喷丸后残余应力的预测与验证

5.3 不同喷丸参数条件下残余应力场的预测

5.4本章小结

参考文献

第6章 结论与创新

攻读博士学位期间发表论文

致 谢

声明

上海交通大学博士学位答辩决议书