磨粒强化加工表面材料动态再结晶行为的研究

摘要

目的基于磨粒强化加工非线性热力耦合效应,研究加工表面材料动态再结晶行为。方法以45#钢为研究对象,首先建立基于砂轮轮廓及磨粒分布特征的热力耦合全尺度有限元模型,然后利用三维元胞自动机法,构建奥氏体晶粒的位错密度增长控制方程,研究动态热力耦合作用对奥氏体晶粒动态再结晶过程的影响机理。最后,结合磨粒强化加工实验,验证不同进给速度与磨削深度下再结晶晶粒尺寸与体积分数的沿层变化规律,提出加工表面材料晶粒细化过程的参数化控制方法。结果加工过程中,部分奥氏体组织会发生动态再结晶现象,并在工件表面形成细化层,细化层的厚度远小于强化层。随着与表面距离的增加,再结晶晶粒平均尺寸逐渐增大,体积分数先增大、后减小。改变磨削深度和进给速度,可使再结晶晶粒的体积分数和平均尺寸分别提高5倍和15%以上。结论通过对比实验与模拟结果,发现加工过程中热力耦合效应沿层分布差异性明显。加工应变场的作用效果远小于动态温度场的影响,这限制了表面细化层的厚度;应变场沿层递减分布,越靠近加工表面,晶粒细化现象越明显;受层间应变与应变率差异性的影响,表层再结晶晶粒形核较快,但生长速度缓慢,再结晶晶粒体积分数偏小。增大切深与进给速度会使接触区金属的去除量增加、表面温度升高且晶粒畸变现象明显,有利于细化层的形成。