孙珊珊[1]2016年在《激光相变硬化对亚共析钢接触疲劳的影响》文中认为高速列车行驶过程中,车轮与钢轨的型面匹配极其重要,型面不匹配会产生振动、噪声,影响列车运行的平稳性、舒适性,甚至影响安全性。在型面匹配的条件下,轮缘磨损和踏面疲劳是车轮失效的主要原因。由于轮缘与轨侧磨损主要是滑动磨损,通常要比踏面磨损严重,为了达到型面匹配,需进行定期的镟修,少量的轮缘镟修往往伴随大量的踏面镟修,仅仅轮缘的磨损却导致基本完好的踏面也要被车削掉,造成了极大的浪费。激光相变硬化工艺加热及冷却速度极快,生成的马氏体组织晶粒细小、位错密度高,使相变硬化层具有比常规淬火更高的硬度,零件内部的材料也能保持原有的韧性,大量研究表明,激光相变硬化可以显着提高钢的耐磨性,但是其对轮轨间的滚动接触疲劳影响还有待研究。本文讨论了不同激光相变硬化工艺参数对硬化层组织、硬度、残余应力大小及残余奥氏体含量的影响,以便设计合适的激光相变硬化工艺。对经激光相变硬化处理的车轮钢试样进行摩擦磨损实验以及滚动接触疲劳实验,验证了激光相变硬化工艺对亚共析钢耐磨性及抗疲劳性能的影响。通过X射线应力大小测定、残奥含量测定、显微硬度测量、SEM等分析技术,探究了亚共析钢的滚动接触疲劳机理,并得出了激光相变硬化技术改善亚共析钢抗疲劳性能的原因。采用有限元计算方法,模拟激光相变硬化过程的温度场,并预测大功率激光器可能获得的硬化层深度,为激光相变硬化处理高速列车车轮提供理论依据,通过温度场与相变场的结合,模拟了激光相变硬化层的硬度值。
王思宇[2]2013年在《利用整形激光处理45号钢的仿真模拟与组织性能研究》文中认为激光自上世纪60年代问世以来,因其自身特有的极大的应用价值,得到了各个领域的广泛重视,在短短的几十年里,激光表面处理技术得到了迅速的发展,其中,激光相变硬化以其加热速度快、淬火硬度高、工件变形小、淬火部位可控、不需淬火介质、生产率高、无氧化、无污染等优点,被广泛应用于交通运输、纺织机械、模具制造、精密仪器上。由于激光器所发射出的激光的能量密度多呈斯型分布,因其中心能量过高,导致加热过程中光斑中心部位出现过热现象,所以激光相变硬化过程中,很难通过单道扫描工艺使所加工表面完全硬化,工业中常常采用多道搭接工艺来弥补单道扫描过程中产生的不足,然而,多道扫描的搭接过程中,激光边缘能量会对应经硬化的工作层产生回火作用,使加工后的工作面的性能出现波动性,因此改变激光传统的能量分布形态,克服传统高斯型能量分布的光斑扫描过程中边缘加热能力不足的缺点,成为激光相变硬化工艺在工业生产中应用时,必须面对并解决的问题。本文首先根据激光相变硬化的机理,综合考虑了相变潜热的存在,热向系数随温度的改变情况和快速加热与静态加热过程中组织奥氏体化的差异,建立起叁维动态激光相变硬化过程的数学模型；利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真模拟软件对所建立的数学模型进行计算求解,在所建立起的激光相变模型中,通过改变激光光斑前端与后端、中心与边缘能量密度分布,研究不同能量密度分布的光斑扫描过程中温度场的变化规律；随后利用瞬时态温度场的分布情况,求解出激光相变硬化过程中不同能量密度分布的激光光斑所能产生的硬化区域的尺寸；最后对不同参数下,硬化区尺寸的变化规律进行了总结同时,利用Danial Wellburn博士自制的激光整形器,对传统激光的能量分布进行了调整。选取退火态45号钢为基体材料,利用整形后的光斑在不同的扫描功率,不同的扫描速度下,对基体组织进行表面硬化处理,利用金相显微镜对硬化区的几何形貌变化进行观察；利用扫描电子显微镜对硬化区组织进行观察；利用维氏显微硬度计测量出不用工艺参数下硬化层的最大深度,以及不同工艺参数下硬化层硬度分布的特点,通过对实验最大淬硬层深度和模拟最大淬硬层深度的比较得出,产生较大误差的主要原因相变硬化过程中材料对激光吸收率的变化,经误差修正后,模型计算出的最大淬硬层深度与实验值相比误差率在10%以下。
燕展[3]2006年在《基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究》文中提出激光相变硬化是一个多参数综合的工艺过程，人们难以用实验的方法直接测量其瞬时温度分布，也就导致了很难对影响相变硬化层深的诸因素做出定量的分析。随着近代计算技术的发展，可望借助先进的计算机技术，对影响相变硬化层深的诸因素做出定量的分析。 激光相变硬化工艺参数对硬化效果具有十分重要的影响。本文通过大量的试验数据和理论分析来研究工艺参数(扫描速度和功率)与硬化效果(硬化层深和硬化层分布均匀性)的关系。激光相变硬化层分布的均匀性是生产和研究中追求的目标之一。激光相变硬化层分布不均匀性主要体现在横截面内硬化层形貌和纵截面内进、出端差异。在理论分析和实验研究的基础上，本文提出了激光变速扫描方法，使得激光相变硬化层的均匀性得到较好的改善；并利用Matlab数值积分工具箱(Numerical Integration Toolbox)和偏微分方程工具箱(PDE Toolbox)开发了激光相变硬化模拟与优化程序。 激光相变硬化模拟与优化程序共分为四大模块：激光相变硬化纵截面层深模拟程序；激光相变硬化横截面层深模拟程序；激光相变硬化纵截面层深优化程序；激光相变硬化横截面层深优化程序。激光相变硬化模拟与优化程序与Vb相链结，通过Vb简捷的图形用户界面(Gui)操作，能够快速、方便地进行激光相变硬化模拟与优化计算。实验表明：模拟与优化计算结果比较准确。
雷声[4]2009年在《轴承表面的激光相变硬化关键技术研究》文中提出材料的表面处理有很多种方法,采用先进的表面改性手段可强化轴承工作表面,提高轴承工作可靠性,延长其使用寿命,应用激光对轴承表面实施相变硬化处理(激光淬火)则是一门新技术。本文结合安徽省教育厅自然科学重点资助项目“轴承表面的激光硬化关键技术及应用技术研究”(编号:KJ2009A021),研究GCr15钢试样及轴承滚道表面激光相变硬化的各种关键问题,为轴承滚道表面强化提供了新途径,将基础研究与生产实际相结合,具有实际意义。选用CO2激光器进行GCr15轴承滚道表面激光相变硬化处理试验。运用正交试验设计方法对工艺参数进行了优化,用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM, FEI ESEM XL30)进行GCr15轴承钢激光表面改性后的显微组织和形貌尺寸特征分析。选择合适的激光淬火参数,以保证激光表面改性层有足够的硬化层深度和高的硬度值,有更加细小的马氏体组织。结果表明,经激光相变硬化后轴承滚道表面硬度得到提高,且随着激光功率的增加,淬硬层的深度与硬度增加,硬化层深度最多可以达到0.8~0.9mm。组织细化和过饱和的隐晶马氏体的形成是硬度提高的主要原因。对激光相变硬化处理后的GCr15钢试样,使用X射线衍射仪对淬硬层的残余奥氏体含量和残余应力分布进行了分析。结果显示,激光强化区由于碳的溶解形成较多的残余奥氏体和细小的未溶碳化物。激光相变硬化后试样表面为压应力,且随着激光功率的增大而变大。对激光相变硬化处理后的GCr15钢试样进行不同温度的回火处理,并与经常规热处理后的GCr15钢试样进行对比分析。结果表明,激光淬火组织的回火稳定性明显提高。借助扫描电镜观察得知,回火稳定性提高的原因是激光淬火后奥氏体和淬火马氏体的合金浓度得到了提高。对GCr15钢轴承滚道表面激光淬火处理过程进行数值模拟,讨论激光工艺参数对轴承滚道表面激光淬火处理后相变硬化区宽度和深度的影响,得到与实验比较吻合的结果。模拟结果表明激光工艺参数固定时,激光扫描开始、结束阶段的温度场有明显的不同,导致沿激光扫描方向硬度分布的不均匀性和激光扫描开始、结束阶段淬硬层深度分布的不均匀性。探讨了改善硬化层深度分布均匀性和表面硬度均匀性的方法。将激光强化后的GCr15钢和常规热处理的GCr15钢试样在干摩擦条件下的磨损行为进行比较,以评估其磨损行为。激光强化后的GCr15钢相对于常规热处理的GCr15钢,由于其微观结构造成的高的强韧性而导致磨损率的提高。常规热处理试样和激光强化试样的磨损机制相同,同为磨料磨损和氧化磨损,同时拌有粘着磨损存在。激光强化后材料的热稳定性提高,这使激光相变硬化区具有较高的抗回火软化能力。在油润滑条件下比较激光强化后试样和常规热处理试样的耐磨性。激光强化GCr15钢的摩擦学特性略好一点,激光硬化层因其组织硬化、高硬度和高韧性而导致磨损率(10-6mg/N·m数量级)低于常规热处理GCr15钢。在稳定状态,激光强化后试样的摩擦系数与常规热处理试样的摩擦系数没有明显的区别。激光强化后试样和常规热处理试样两者的磨损机制基本相同,均为轻微磨料磨损和疲劳磨损。研究了不同激光功率对硬化后的最终显微组织、硬度和耐磨性的影响。激光参数变化引起显微组织发生变化,造成表面硬度值和磨损率较大的差异。激光功率增大时,激光硬化层表面未溶碳化物量减少,从而表面马氏体中含碳量增加,表面硬度增高。在干摩擦和油润滑两种条件下,激光功率越大,激光硬化层的抗磨损性性越好。在干摩擦磨损过程中激光表面改性层发现摩擦诱发的马氏体相变。对激光相变硬化处理后的GCr15钢试样进行叁点弯曲试验,研究激光硬化层对钢件抗弯强度和挠度的影响。弯曲试验时材料的塑性用各试样的最大挠度来表示。结果表明,经激光硬化处理后钢件的抗弯强度和挠度明显下降,断裂机制发生改变,导致了激光硬化层塑性和韧性的下降。对常规热处理试样和激光表面处理试样断口也进行对比分析,常规热处理试样断裂后断裂表面均表现出韧性断裂后的韧窝特征,激光硬化层起裂区呈现脆性断裂特征,断裂方式主要为准解理和沿晶断裂。综上所述,轴承表面的激光相变硬化可以产生具有较多残余奥氏体、细小碳化物以及过饱和的隐晶马氏体组织,从而提高轴承滚道表面的硬度和残余压应力,并提高轴承套圈滚道表面的耐磨性能。激光表面强化技术用于轴承滚道表面处理,是一种全新尝试,有利于提高其接触疲劳性能,但因作用机制十分复杂,尚需进一步开展大量的试验工作与理论研究。
唐雪明[5]2006年在《300M钢激光相变硬化温度场的数值模拟》文中进行了进一步梳理300M钢是一种新型超高强度钢,主要用于飞机起落架等关键受力部件。通过激光相变硬化技术可以提高材料表面的综合性能。目前,在实践中仍主要依靠试验和经验来获得激光工艺参数。300M钢的激光相变硬化的数值模拟,对合理制定工艺参数有着重要意义。 本文对300M钢激光相变硬化过程的传热行为和力学行为进行全面的分析,建立了激光相变硬化热力耦合模型,采用有限元法对激光相变硬化过程的温度场和应力场进行了计算。研究了温度场和应力场的分布规律,从激光相变硬化机理的角度分析了瞬态应力场的分布。分析了激光工艺参数、试样的厚度以及试样边界对温度场的影响,结果表明试样厚度和底面边界条件对小厚度试样影响显着,激光工艺参数决定了试样表面峰值温度、温度梯度的分布以及硬化层的深度。
陈勇[6]2007年在《45钢喷射电镀镍层激光重熔温度场数值模拟及其性能研究》文中认为喷射电镀是一种高速电沉积工艺,具有可选择性的优点,适合局部电镀;激光重熔是一种新型的材料加工与表面改性技术,可以在低成本钢材基材上制成高性能表面,替代大量的高级合金。结合两种工艺的特点,对喷射电镀层进行激光重熔,并通过优化的重熔工艺参数获得均匀、致密、与基体结合性强的重熔层,使镀层与基体的物理结合转化为冶金结合,提高材料的耐磨、耐腐蚀及机械性能等。本文首先采用数值模拟方法,对连续移动叁维瞬态激光重熔温度场的规律进行了研究;其次对激光参数进行了优化;最后进行了激光重熔试件的性能测试。所做工作如下:1.根据传热学理论和数值模拟方法研究温度场的分布规律,考虑了热物性参数、对流换热、相变潜热等随温度变化的因素,应用ANSYS有限元软件,建立了连续移动叁维瞬态激光重熔喷射电镀Ni层温度场的计算模型,通过对计算结论和试验结果的反复比较、分析,对模型进行了修正,从而建立起对试验具有指导作用的温度场模型。2.探讨了喷射电镀Ni层激光重熔过程中,硬化区和熔池的形状、温度场的分布规律以及激光功率、扫描速度、光斑半径等对温度场分布的影响。以及为了获得表层质量较好,且尽量厚的硬化层,利用建立的模型,进行了激光加工工艺(激光功率、扫描速度和光斑半径)参数的优化,获得了较为理想的硬化层。3.对激光重熔试件进行了硬度测试,抗拉强度测试、耐腐蚀性能测试,研究了喷射电镀层激光重熔区域的组织形貌及激光工艺参数对材料性能的影响。
郭怡晖[7]2010年在《球墨铸铁QT600-3激光相变硬化数值模拟与试验研究》文中研究说明近年来,我国汽车业发展十分迅速,球墨铸铁由于具有良好的工艺性能和使用性能,作为汽车覆盖件模具的常用材料。然而目前球墨铸铁模具的使用寿命不高,对球墨铸铁进行表面强化十分重要。本文围绕球墨铸铁QT600-3的激光相变硬化展开了数值模拟与试验研究。本文首先建立了球墨铸铁QT600-3激光相变硬化温度场的叁维模型,采用商业软件ProCAST计算了表面淬火时的温度场。根据温度场预测了硬化层深度和宽度。在激光功率为800W-1000W,激光扫描速度在2mm/s-2.667mm/s,光斑直径在4mm-5mm时,硬化层深度在0.2mm-0.64mm之间,硬化层宽度在2mm-3.7mm之间。激光功率的增大、扫描速度的减少都会使硬化层深度和硬化层宽度得到增加。通过数值模拟,揭示了采用较低的激光功率和扫描速度,大的光斑直径时,可有效的提升球墨铸铁CO2激光相变硬化层深度。采用固体激光,对珠光体型球墨铸铁QT600-3进行了激光相变硬化试验,验证数值模拟结果。试验后的表面宏观硬度一般在50HRC以上,近表层的显微硬度在600HV-920HV之间。获得了金相组织的变化,获取了试验后的硬化层深度和宽度。探明了硬化层深度与工艺参数之间的线性回归关系。通过对试验结果与数值模拟计算结果的对比分析,发现数值模拟可以对球墨铸铁QT600-3激光相变硬化的工艺设计提供参考依据。为提升使用CO2激光时的球墨铸铁相变硬化层深度,进一步对珠光体型球墨铸铁QT600-3开展激光相变硬化试验研究,验证数值模拟结果。试验的工艺参数范围为：激光功率为630W-800W,激光扫描速度在1mm/s-2mm/s,光斑直径取为8mm。试验后的表面宏观硬度一般在48HRC-60HRC之间,近表层的显微硬度在600HV-913HV之间。硬化层组织主要为针状马氏体、残余奥氏体等。分别探讨了宏观硬度、硬化层深度与功率和速度之间的基本关系。试验得到的硬化层深度在0.53mm-0.95mm之间,结果表明,采用较低的激光功率和扫描速度,大光斑直径的工艺参数时,可有效提升球墨铸铁CO2激光相变硬化层深度,试验结果与数值模拟的预测相吻合。探明了硬化层深度与工艺参数之间较好的线性回归关系。试验对优化球墨铸铁汽车覆盖件模具的激光相变硬化工艺具有较强的参考价值。为更好的分析和理解球墨铸铁的激光相变硬化过程,文中补充45钢和混合基体型球墨铸铁的激光相变硬化试验结果,并将其与珠光体型球墨铸铁激光相变硬化后的组织变化进行比较,石墨球对球墨铸铁的激光相变过程影响较大,珠光体含量增高有助于激光相变硬化过程的实现。
胡涛[8]2002年在《激光淬火温度场模拟及加工参数优化》文中指出在激光相变硬化中,月牙形硬化层的最大深度与激光束作用下零件内的温度场分布有着十分密切的关系。作者分析了近年来国内外学者在激光相变硬化温度场分布与相变硬化层预测方面所作的研究成果,提出在激光作用下零件内沿激光扫描方向截面内的叁维温度场分布,建立了一个叁维非稳态移动热传导物理模型;并针对均强圆形光束模型,经适当的数学处理,得到了能够完整地描述激光扫描作用下零件沿激光扫描截面内叁维非稳态移动热源温度场分布的近似解析解。在上述研究成果的基础上,作者依据优化设计理论,对给定的硬化层深度,应用世界上通用的ANSYS5.5有限元分析软件,模拟激光相变硬化温度场的形成以确定最优的激光硬化工艺参数,这是作者在激光参数的理论选择研究方面所作的有益尝试。实验研究表明,相变硬化层的理论预测具有较好的可靠性和准确性,它对激光热处理的实际应用具有重要的指导意义。
范雪燕[9]2004年在《激光表面淬火瞬态温度场的有限元模拟及硬化层深预测》文中研究说明激光表面淬火是一个多参数综合的工艺过程,人们难以用实验的方法直接测量其瞬时温度分布,也就导致了很难对影响相变硬化层深的诸因素作出定量的分析。随着近代计算技术的发展,可望借助先进的计算机技术,对影响相变硬化层深的诸因素作出定量的分析。本文结合先进的大型有限元分析软件ANSYS,对激光表面淬火的温度场进行有限元模拟,并在此基础上,对此展开一系列研究。 根据物理原型的激光表面淬火的热传导微分方程,基于ANSYS环境下,建立叁维的有限元模型,考虑与实际接近的加载条件,并对整个激光扫描中温度场瞬态变化过程进行了模拟。激光淬火过程中,除进出端外,横截面的硬化层分布几乎一致。仅考虑硬化层分布而言,即针对研究相变硬化层深,又建立了运算量减少而精度大大提高的激光表面淬火的二维模型。 激光淬火硬化层深是衡量效果好坏的主要指标,该指标与激光功率P、光斑尺寸、扫描速度v等有关工艺参数有关,还与材料对激光束能量的吸收率有关。本文定义材料吸收激光能量与激光束能量的比值为激光能量转换系数η,η的影响因素包括了光束穿过光学系统的光学能量损失、因对流和辐射换热引起的能量损失、预处理过材料表面吸收系数随温度的变化。将实验数据和模拟数据相结合,深入研究能量转换系数η与工艺参数P、v的变化规律,建立了能预测硬化层深的数学模型,并再次用实验来验证其具有极高的精确性。通过反复实验和模拟验证,对于将预测的相变硬化层深误差率控制在5%以下,经证实是可以达到。本文是基于ANSYS的激光表面淬火过程中能量转换系数的分析,并且只针对45″钢和材料表面状况完全相同的情况,因此,对于不同材料和不同表面预处理的情况,文中结论则没有通用性。本文主要提供的是一种新的研究思路,结合先进计算机技术,为研究精确控制工艺参数和相变硬化层深提供依据。目前为止,对于精确预测相变硬化的深度基本上是一种设想。本文就是从这个角度出发,力求提供一种能精确预测层深的研究思路,这也是本文研究的意义所在。 此外,对激光表面淬火后硬化层的均匀性方面做了一些分析。激光表面淬火后的相变硬化层不均匀性主要体现在硬化层横截面形貌和进出端差异。对硬化层横截面形状的优化可以通过改变光斑功率密度分布来达到的观点,通过在ANSYS中的模拟理论上进行了验证。对于进出端差异的研究,主要是通过试验研究来考虑如何减少进出端的差异,并通过大量的实验数据推断出一系列的规律。
熊波[10]2003年在《基于数据库的激光表面相变硬化专家系统》文中认为本文探讨并初步实现了激光表面相变强化处理的专家系统，该系统结合了基于关系型数据库的知识系统和二维传热相变的数值分析模型。系统优先考虑使用数据库中的实际加工工艺参数；在数据库中没有满足该加工初始条件的工艺参数的情况下，参考数据库中的实际加工工艺参数，进而使用数值分析模型进行虚拟和分析处理，并对推理出的结果结合数据库中已有的加工工艺参数进行修正处理，最终获得一个具有实际应用价值的参考工艺参数；随着数据库中知识的增加，本系统的应用范围将更加广泛和准确。该系统克服了完全依赖于数据库已有知识的实用范围局限性，又克服了完全依赖于数值分析模型的不准确性。 对本系统所采用的激光相变处理的热模型，考虑了模型中涉及金属吸热和传热的主要原因，在此基础上对二维传热情况进行了分析及模拟计算。并且考虑了模型的实用性和易计算性，以利于专家系统的建立。 本文首先阐述了激光相变硬化处理专家系统的必要性和意义；然后详细论述了激光处理过程中的热模型，推导出具有实际应用价值的计算公式；在第叁章中，本文介绍了基于数据库的专家系统的建立原则；第四章中，介绍了本专家系统的概要设计；第五章详细介绍了本系统各个功能模块的设计，实现和使用示例；第六章总结了本专家系统的优点和不足，提出了系统未来的发展方向。
参考文献：
[1]. 激光相变硬化对亚共析钢接触疲劳的影响[D]. 孙珊珊. 南京航空航天大学. 2016
[2]. 利用整形激光处理45号钢的仿真模拟与组织性能研究[D]. 王思宇. 东北大学. 2013
[3]. 基于硬化层均匀的激光相变硬化工艺参数优化研究[D]. 燕展. 上海海事大学. 2006
[4]. 轴承表面的激光相变硬化关键技术研究[D]. 雷声. 合肥工业大学. 2009
[5]. 300M钢激光相变硬化温度场的数值模拟[D]. 唐雪明. 西北工业大学. 2006
[6]. 45钢喷射电镀镍层激光重熔温度场数值模拟及其性能研究[D]. 陈勇. 南京航空航天大学. 2007
[7]. 球墨铸铁QT600-3激光相变硬化数值模拟与试验研究[D]. 郭怡晖. 湖南大学. 2010
[8]. 激光淬火温度场模拟及加工参数优化[D]. 胡涛. 江苏大学. 2002
[9]. 激光表面淬火瞬态温度场的有限元模拟及硬化层深预测[D]. 范雪燕. 上海海事大学. 2004
[10]. 基于数据库的激光表面相变硬化专家系统[D]. 熊波. 浙江工业大学. 2003