合金鋼軋輥激光熔凝應(yīng)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(jìn)行工件表面改性強(qiáng)化已成為材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。寬帶激光技術(shù)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(jī)械以及石油石化等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)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(diǎn)和激光熔凝層尺寸特征，建立了切合實(shí)際的寬帶熱源模型?；趶椝苄岳碚?、金屬物理學(xué)和力學(xué)基本理論，結(jié)合

2、試驗(yàn)分析，研究了42CrMo合金鋼、軋輥表面寬帶激光熔凝的熱.力學(xué)過程和熔凝區(qū)的殘余應(yīng)力及熔凝層的開裂傾向。采用掃描電子顯微鏡、顯微硬度計(jì)和光彈試驗(yàn)儀等設(shè)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(yīng)力。結(jié)合激光寬帶熔凝試驗(yàn)，采用SYSWELD有限元軟件對激光熔凝溫度場、組織轉(zhuǎn)變、硬度和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)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(dá)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(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)針狀馬氏體，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(yīng)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(dá)90％以上，理論分析結(jié)果表明，馬氏體相變伴隨的尺寸膨脹效應(yīng)使熔化區(qū)易于獲得殘余壓應(yīng)力。當(dāng)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(jié)構(gòu)，表面成型質(zhì)量良好，且在熔化區(qū)可獲得有利的壓應(yīng)力分布。 搭接率對軋輥熔凝層相變和力學(xué)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力和最大的Von