合金鋼軋輥激光熔凝應力數(shù)值模擬.pdf

1、隨著對材料表面耐磨損、耐腐蝕和抗疲勞等性能要求的提高，采用高功率激光束進行工件表面改性強化已成為材料加工領域的研究熱點。寬帶激光技術得到的激光輸出模式和形貌分布均勻，且一次性處理區(qū)域大，可以大幅度提高金屬材料的疲勞壽命，在航空航天、冶金、工程機械以及石油石化等行業(yè)具有廣闊的應用前景。 本課題針對寬帶激光束的光斑形貌、能量密度分布特點和激光熔凝層尺寸特征，建立了切合實際的寬帶熱源模型。基于彈塑性理論、金屬物理學和力學基本理論，結合

2、試驗分析，研究了42CrMo合金鋼、軋輥表面寬帶激光熔凝的熱.力學過程和熔凝區(qū)的殘余應力及熔凝層的開裂傾向。采用掃描電子顯微鏡、顯微硬度計和光彈試驗儀等設備，觀察熔凝層顯微組織，測定了熔凝層顯微硬度和熱影響區(qū)殘余應力。結合激光寬帶熔凝試驗，采用SYSWELD有限元軟件對激光熔凝溫度場、組織轉變、硬度和應力場進行了數(shù)值模擬計算。 激光熔凝加工是一個快速加熱和快速冷卻的過程，加熱階段的最大升溫速率接近1.3×104℃/s，冷卻階段的

3、最大冷卻速率達7×103℃/s。激光熔凝層由熔化區(qū)、相變區(qū)和回火區(qū)組成，且熔化區(qū)初始的鐵素體+珠光體組織絕大部分均轉變?yōu)榧氠槧铖R氏體，使得顯微硬度值提高2.5～3倍，但在熱影響區(qū)存在殘余應力集中現(xiàn)象。42CrMo鋼激光熔凝后，熔凝區(qū)馬氏體相的體積比例高達90％以上，理論分析結果表明，馬氏體相變伴隨的尺寸膨脹效應使熔化區(qū)易于獲得殘余壓應力。當激光功率p=3500W左右，掃描速率v=600mm/min～1000mm/min，線能量密度ρE=

4、20.9J/mm2～35.0J/mm2時，熔凝表層具有均勻的組織結構，表面成型質量良好，且在熔化區(qū)可獲得有利的壓應力分布。 搭接率對軋輥熔凝層相變和力學性能的影響較小，但疊道掃描的搭接區(qū)存在一定程度的軟化現(xiàn)象；分析表明，搭接率控制在0～20％以內有利于提高熔凝工件的硬度及耐磨擦、磨損性能。激光熔凝層的最大壓應力幅值出現(xiàn)在熔化區(qū)與相變區(qū)的邊界處：熱影響區(qū)則呈現(xiàn)殘余拉應力，在相變區(qū)與回火區(qū)之間的區(qū)域存在著最大殘余拉應力和最大的Von