45钢基体上D172焊条堆焊熔敷金属耐磨性能研究

摘要

堆焊技术是解决机械零件磨损失效的一个高效且经济的方法，堆焊熔敷金属耐磨性能的好坏取决于堆焊工艺合理与否。研究堆焊工艺对耐磨性能的影响规律以及通过预测堆焊耐磨性能来优化堆焊工艺具有很好的科学意义及工程价值。目前研究堆焊熔敷金属耐磨性能最常用的方法是磨损试验检测法和数值仿真方法，其中磨损试验法试样加工困难、成本较高且试验周期长，而数值仿真方法快速、经济但模型建立难度较大且计算结果精度不高。近年来发展起来的有限单元法原理及其数值计算方法基于连续模型离散化的思想被国内外诸多学者采纳用于研究材料磨损问题，特别是在结合大型商用CAE软件后，以其直观的建模方式、快速求解手段及其强大的前后处理而著称，但有限元模型计算结果往往与磨损试验结果数据存在较大误差，仅能预测材料磨损趋势。
　　 本文采用焊条电弧焊工艺，选择厚度为16mm的45＃钢板作为基体，在不同的焊接工艺下堆焊D172焊条，通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)以及X射线衍射分析(XRD)研究了堆焊熔敷金属的显微组织及构成，并测试其显微硬度。制备堆焊熔敷金属滑动磨损试样，选用M-2000型磨损试验机进行磨损实验，对比不同的载荷、滑动距离条件下熔敷金属的耐磨性能。经扫描电子显微镜(SEM)对磨痕形貌进行分析，研究熔敷金属在干摩擦条件下的磨损机制。基于ANSYS/LS-DYNA显示动力平台对磨损过程进行模拟，对磨损量变化情况进行预测。
　　 磨损试验结果表明：随着焊接电流的增大，堆焊层中马氏体的数量减少，残余奥氏体及析出碳化物数量增加，分布更均匀，堆焊层的显微硬度值降低；随着堆焊层数的增加，母材的稀释作用减小，堆焊层的耐磨性能越接近堆焊材料的耐磨性能。通过正交试验分析可知：焊接电流对磨损量的影响最大，其次是滑动距离、载荷、焊接层数的影响。在低应力低转速状态下，磨损量随焊接电流、外载荷以及滑动距离的增加而增加，随堆焊层数的增加而减小。经磨痕形貌分析，堆焊熔敷金属在滑动摩擦过程中的磨损主要为粘着磨损、磨粒磨损以及氧化磨损综合作用的结果。基于ANSYS/LS-DYNA显式动力磨损有限元模型，实现了环-块的滑动接触磨损过程仿真。计算结果表明：磨损量与磨损时间成正比；随着载荷的增加，在相同时间内磨损量也相应地增加，在曲线上表现为斜率增加，即磨损率(dm/dt)增加，与实际磨损试验结果基本吻合，但有限元方法在定量分析磨损量变化方面存在一定的误差，有待进一步深入研究。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.1.1 常用堆焊方法

1.1.2 提高堆焊熔敷金属耐磨性的途径

1.2 磨损概述

1.2.1 磨损的一般过程与分类

1.2.2 滑动摩擦系数的影响因素

1.2.3 磨损的检测与评定

1.2.4 磨损的研究模型

1.3 国内外研究现状和发展趋势

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 课题研究的内容及意义

1.4.1 课题研究的主要内容

1.4.2 课题研究的主要技术路线

1.4.3 课题研究的意义

2 堆焊试验

2.1 试验材料及方法

2.1.1 试验设备

2.1.2 焊接工艺

2.2 堆焊焊缝金属组织

2.3 本章小结

3 磨损试验

3.1 磨损试样制备

3.2 磨损试验设计

3.3 磨损试验结果分析

3.3.1 磨损量变化

3.3.2 摩擦系数变化分析

3.3.3 磨痕形貌分析

3.4 本章小结

4 基于ANSYS/LS-DYNA显式动力学磨损研究

4.1 LS-DYNA显式动力学理论基础

4.1.1 LS-DYNA显式动力算法

4.1.2 LS-DYNA摩擦接触

4.1.3 沙漏问题

4.1.4 侵蚀接触

4.1.5 基于环-块模型的LS-DYNA显示动力学分析方法

4.2 前处理

4.2.1 几何模型的简化

4.2.2 单元类型的选择和材料参数设置

4.2.3 网格划分

4.2.4 边界条件及初始条件

4.3 求解

4.4 后处理及结果分析

4.4.1 磨损质量变化情况

4.4.2 等效应力变化情况

4.5 有限元计算结果误差产生的原因

4.6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间学术论文及科研情况

致谢