球墨铸铁电子束表面淬火的温度场及应力场仿真与实验研究

论文摘要

球墨铸铁因其具有优良的铸造、切削加工等性能，且生产成本较低，而广泛用于生产机械行业中载荷大且受力复杂的零件，但球墨铸铁的硬度与耐磨性相对较低，尤其表面常发生如磨损、腐蚀、疲劳等失效，其应用受到了一定的限制，因此需要对球墨铸铁进行表面强化处理。而电子束表面淬火技术能够有效地提高材料表面的硬度和改善材料表面的耐磨性及耐蚀性。现有的实验方法很难直接测定电子束表面淬火过程中瞬态温度场和应力场的分布，因此有必要对其进行研究。本文通过分析电子束表面淬火过程的温度场及应力场形成的物理基础，结合电子束热处理设备的实际工况和仿真相关理论，建立了电子束表面淬火温度场的有限元模型，并进行了实验验证。在温度场有限元模型的基础上建立了电子束表面淬火应力场的有限元模型。分析了电子束表面淬火过程温度场及应力场的变化规律，讨论了束流大小、扫描速度、束斑直径和试样有效厚度对温度场分布规律的影响，对球墨铸铁电子束表面淬火进行了实验研究与温度场分布规律的实验验证。仿真与实验结果表明：电子束表面淬火过程温度场及应力场分布是个非稳态过程；根据纵向硬化层尺寸（包括深度和宽度）的仿真与实验研究，得到了电子束下束端的硬化层尺寸小于中间扫描带的硬化层尺寸，收束端的硬化层尺寸大于中间扫描带的硬化层尺寸的分布规律；试样获得了主要由球状石墨及其周围马氏体壳组成的表面强化层，其表面硬度大幅度提高，是基体硬度的3~4倍。在其他参数不变的情况下，随着束流I的增大，试样表面峰值温度基本呈现线性升高，淬硬层中球状石墨周围的马氏体壳也越厚，其硬度有所提高，硬化层深度和宽度也有所增大；随着扫描速度v的增大，试样表面峰值温度呈双曲线下降，淬硬层中球状石墨周围的马氏体壳也越薄，其硬度有所下降，硬化层深度和宽度都减小；束斑直径d对试样温度场影响较大，小束斑直径比大束斑直径能量更集中；试样有效厚度h对电子束表面淬火温度场有影响，大厚度试样的温度场受到下表面的冷却条件的影响小。所获得的热应力分布规律与温度场的变化规律一致，电子束扫描区主要为压应力，其峰值出现在基体与硬化层交界处，并随电子束热源一起移动。本文的研究工作为电子束表面淬火的进一步研究和企业的实际应用提供了一定的参考依据，有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景及其意义
• §1.2 电子束表面淬火的特点
• §1.3 国内外研究现状
• §1.3.1 电子束加工技术的研究现状
• §1.3.2 球墨铸铁电子束改性技术的研究现状
• §1.3.3 电子束改性过程计算机模拟的研究现状
• §1.3.4 存在的不足
• §1.4 本文的研究内容及创新点
• 第二章 电子束表面淬火基本理论分析
• §2.1 电子束表面淬火过程物理基础分析
• §2.1.1 电子束与固体材料的相互作用
• §2.1.2 奥氏体转变温度的确定
• §2.2 温度场基本理论分析
• §2.2.1 传热学基础
• §2.2.2 电子束表面淬火热传导微分方程及其定解条件的确定
• §2.2.3 有限元分析温度场的基本过程
• §2.2.4 ANSYS 热分析基本步骤
• §2.3 应力场基本理论分析
• §2.3.1 热弹塑性力学基本理论
• §2.3.2 应力场有限元计算的基本步骤
• §2.3.3 ANSYS 热应力分析基本方法
• §2.3.4 ANSYS 热应力分析基本步骤
• §2.4 本章小结
• 第三章 球墨铸铁电子束表面淬火温度场变化规律的研究
• §3.1 球墨铸铁电子束表面淬火温度场有限元模型的建立
• §3.1.1 有限元模型的基本假设
• §3.1.2 物理模型和几何模型
• §3.1.3 有限元模型的单元类型
• §3.1.4 材料热物性参数的定义
• §3.1.5 有限元模型的网格划分
• §3.1.6 热源模型的选择
• §3.1.7 有限元模型的加载与求解
• §3.2 球墨铸铁电子束表面淬火温度场的仿真结果分析
• §3.2.1 加热过程中的温度场的分布规律
• §3.2.2 冷却过程中的温度场的分布规律
• §3.2.3 热循环曲线分析
• §3.2.4 电子束扫描带区域节点的温度时间变化历程
• §3.3 电子束工艺参数对温度场分布规律的影响
• §3.3.1 电子束束流对温度场分布规律的影响
• §3.3.2 电子束扫描速度对温度场分布规律的影响
• §3.3.3 电子束束斑直径对温度场分布规律的影响
• §3.4 试样有效厚度对温度场分布规律的影响
• §3.5 本章小结
• 第四章 球墨铸铁电子束表面淬火应力场变化规律的研究
• §4.1 电子束表面淬火过程应力产生的原因
• §4.2 应力场有限元模型的建立
• §4.2.1 应力场有限元模型单元类型的转换
• §4.2.2 材料力学性能参数的定义
• §4.2.3 应力场有限元模型的加载与求解
• §4.3 应力场有限元仿真结果分析
• §4.3.1 热应力的分布规律
• §4.3.2 温度场与应力场的关系
• §4.4 本章小结
• 第五章 球墨铸铁电子束表面淬火的实验研究与仿真结果验证
• §5.1 实验材料
• §5.2 实验方法和设备
• §5.3 实验结果分析
• §5.3.1 电子束表面淬火硬化层的显微组织分析
• §5.3.2 电子束表面淬火硬化层的显微硬度及其分布
• §5.4 电子束工艺参数对硬化层组织和性能的影响
• §5.4.1 电子束束流的影响
• §5.4.2 电子束扫描速度的影响
• §5.5 仿真结果与实验验证
• §5.5.1 仿真和实验横截面形貌的对比分析
• §5.5.2 硬化层尺寸的对比分析
• §5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• §6.1 结论
• §6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间的研究成果