馬氏體不銹鋼激光淬硬和噴丸實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、激光表面硬化作為一種表面處理工藝在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用，然而在局部工件表面淬火區(qū)和未淬火區(qū)之間不可避免的存在過渡區(qū)，由于過渡區(qū)存在著數(shù)值較大的殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致材料整體性能惡化，從而導(dǎo)致整體工件的運行可靠性降低。而噴丸作為一種簡單有效的表面處理方式可以有效改善工件表面過渡區(qū)的殘余應(yīng)力分布。本文以表面激光淬火和噴丸處理為研究內(nèi)容，對17-4PH和AISI4140兩種不同型號的鋼進行了表面強化的實驗和數(shù)值模擬分析，對激光淬火和噴丸處理后材料表

2、層殘余應(yīng)力以及材料組織結(jié)構(gòu)的影響進行了系統(tǒng)的研究，并運用有限元分析軟件ABAQUS建立了激光淬火有限元模型和激光淬火材料噴丸有限元模型，探討了不同噴丸條件下噴丸處理對激光淬火材料不同區(qū)域殘余應(yīng)力場的影響。
　　17-4PH鋼激光淬火實驗表明，在激光最大功率為5 kW，激光束尺寸為6 mm×6 mm，光束移動速度為2 mm/s的CO2激光處理后，材料過渡區(qū)表面沿光束移動方向上存在著約125 MPa的殘余拉應(yīng)力，并且殘余拉應(yīng)力范圍深度

3、至少為500μm。而當經(jīng)過0.5 mmA+0.1 mmA噴丸強度下，材料過渡區(qū)表面光束移動方向上的殘余壓應(yīng)力為-711 MPa，殘余壓應(yīng)力總體層深約為500μm。這說明合適的噴丸的確可以優(yōu)化17-4PH激光淬火鋼的表層殘余應(yīng)力場。在進一步的研究中，運用X射線線形分析方法和X射線衍射定量分析對表層微觀結(jié)構(gòu)和殘余奧氏體在噴丸前后的變化進行了探討。發(fā)現(xiàn)無論激光淬火區(qū)還是基體區(qū)，經(jīng)過不同強度噴丸后都能使受噴面晶塊細化，顯微畸變和位錯密度增高，受

4、噴表面晶塊尺寸已經(jīng)達到納米尺度。表面位錯密度比噴丸前增加至少一個數(shù)量級。殘余奧氏體在經(jīng)過0.5 mmA+0.1 mmA噴丸強度處理后幾乎完全消失。激光淬火17-4PH在492 MPa彎曲載荷下疲勞測試平均壽命(4.98×105)比未經(jīng)淬火17-4PH在相同彎曲載荷下疲勞壽命(107)下降1個數(shù)量級。而激光淬火17-4PH經(jīng)過0.2 mmA+0.1 mmA和0.5 mmA+0.1 mmA噴丸強度處理后，其平均疲勞壽命分別為1.33×107

5、和1.77×107。這說明噴丸處理的確能夠大大改善激光淬火材料疲勞壽命，運用較大的噴丸強度處理后的樣品具有更大的最大殘余應(yīng)力值和更深的塑性變形區(qū)域，因而疲勞壽命提高更為明顯。
　　在綜合考慮溫度場，組織場，硬度和殘余應(yīng)力場之間的相互作用條件下，本文建立了三維耦合激光淬火模型，并對AISI4140鋼激光淬火過程中的溫度、相變、硬度及殘余應(yīng)力進行了預(yù)測并選取了和模型尺寸和材質(zhì)完全相同的實物對模擬結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明，此模型準確的預(yù)

6、測激光淬火過程中的溫度場、激光淬火后硬度和物相分布。而殘余應(yīng)力實驗值和模擬值的差異的原因可能有兩種，一種可能為本文所選取的材料平均相變塑性應(yīng)變參數(shù)值偏小；第二種可能為忽略奧氏體化過程中相變塑性應(yīng)變。在進一步對不同激光移動速度下模型溫度場的分析后，發(fā)現(xiàn)激光淬火過程中表面最高溫度并不出現(xiàn)在光束中心，而是在距激光束中心2 mm的地方，且不隨著光束移動速度的變化而改變位置。在保證激光束最高溫度恒定情況下，不同移動速度對于升溫速率影響更加顯著，而

7、降溫速率則相對穩(wěn)定。材料本身性質(zhì)和熱邊界條件是影響降溫速率的主要因素，激光束移動速度為次要因素。
　　激光淬火材料的噴丸模型是建立在激光淬火材料AISI4140各項分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的在噴丸模型中引入了初始殘余應(yīng)力和初始物相分布，用來表征激光淬火樣品不同區(qū)域殘余應(yīng)力和物相情況。噴丸模型綜合考慮噴丸撞擊過程中噴丸表面高應(yīng)變率不規(guī)則的彈塑性循環(huán)加載而建立的一個合理的用來描述由于應(yīng)變率變化和溫度變化導(dǎo)致的粘滯效果和循環(huán)變形行為的材料模

8、型，對激光淬火材料中激光淬火區(qū)、過渡區(qū)和基體區(qū)進行了噴丸模擬及實驗驗證，并在此基礎(chǔ)上運用此模型對噴丸各項參數(shù)對最終殘余應(yīng)力的影響進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，運用此模型可以對激光淬火材料不同區(qū)域內(nèi)噴丸后殘余應(yīng)力進行準確的預(yù)測。無論是激光淬火區(qū)或是過渡區(qū)，在其他條件相同的情況下，噴丸直接影響層層深(δd)和最大殘余壓應(yīng)力深度(δmax)都會隨著彈丸速度和彈丸直徑的增加而增加。而噴丸表面的殘余應(yīng)力值和最大殘余應(yīng)力值在不同材料區(qū)有一個飽和值，當

9、彈丸的動能大到足以產(chǎn)生這個飽和值后，繼續(xù)增大噴丸速度或彈丸直徑并不能改變表面殘余應(yīng)力值和最大殘余應(yīng)力值。經(jīng)過噴丸后的材料，初始應(yīng)力并不會影響噴丸直接影響層范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力分布，說明在經(jīng)過噴丸后的材料在材料表層區(qū)域可以忽略材料上一步加工所造成的殘余應(yīng)力影響。噴丸處理當中通過增加彈丸覆蓋率可以有效的增加表面殘余應(yīng)力值(σs)，最大殘余應(yīng)力值(σmax)，噴丸直接影響層深度(δd)和最大殘余壓應(yīng)力深度(δmax)，但這四個參數(shù)在彈丸覆蓋率大于