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

作     者：易云志 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏德强

授予年度：2011年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电子束表面淬火 温度场 应力场 硬化层尺寸 

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。