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激光冲击强化作为一种前沿的表面处理技术,具备“三高一快”(高压、高能、超快、高应变率)特点,可以广泛应用在金属和零部件的强化上。各国研究人员已经对激光冲击强化技术进行了系统研究,但都是在航空铝合金材料方面,而在航空工业有重要作用的高质量合金钢的科学研究则比较少。40Cr钢在航空工业上常使用在高速和冲击负荷小的工作环境中,而传统的表面强化方法主要存在效率低、温度高、工作环境差等缺点。
针对上面提到的问题,本文以40Cr钢为研究对象,采用ABAQUS有限元软件系统研究了不同工艺参数(冲击次数、光斑直径、冲击波加载时间、激光能量和压力幅值上升时间)对激光冲击强化的影响。对不同的搭接率布置方案激光冲击强化进行了分析。研究了正反表面同时冲击和间隔冲击在残余应力和表面变形的差异,并探讨了正反表面间隔冲击两次,三种顺序对残余应力和“残余应力洞”的影响。采用脉冲激光器对40Cr钢方块试样进行激光冲击强化处理并与模拟结果进行对比。分析“残余应力洞”产生原理、以及不同工艺参数对其影响,研究了两种对“残余应力洞”抑制的方法。
针对磁研磨法抛光铁磁性管件内表面时的磁屏蔽问题,研制出一套磁力光整加工装置。对4种形状的磁极模型进行有限元分析,研究磁极形状、磁极转速及运动状态对抛光效果的影响,并以40Cr钢为材料进行试验验证,利用扫描电子显微镜观察加工前后工件的微观表面形貌。结果表明:磁极为环形磁极且与工件反向旋转、磁极转速为2 000r/min时加工效果好、加工效率较高;表面粗糙度值可降到Ra 0.25μm以下;工件内表面的微裂纹、凹坑等表面缺陷基本被去除,表面质量得到明显改善。由此表明,利用磁极内置的方法可以很好的解决磁屏蔽问题,并获得良好的表面加工质量。
为提高40Cr钢的耐磨性和疲劳性能,利用YLS-4000型光纤激光器对40Cr钢表面进行淬火强化。利用扫描电镜、显微硬度计等对淬硬层组织和硬度进行了分析,采用X-350A型应力测定仪对淬硬层的残余应力和残留奥氏体进行了测试。结果表明:40Cr钢表面激光淬硬层主要由板条状马氏体组成,马氏体的体积分数在95%以上,马氏体晶粒较基体组织有明显细化;淬硬表层的平均显微硬度(710.5 HV)显著高于基体(235.5 HV),随着到表面距离的增加硬度值逐渐降低至基体硬度;淬硬层表面产生较大的残余压应力,压应力值高达230 MPa以上。
对40Cr钢进行了三种不同淬火温度的调质处理,进行了试样硬度测定和拉伸试验。通过金相显微组织分析了不同淬火温度对试样力学性能影响。结果表明,经830℃亚温淬火处理的试样的综合力学性能 ,其显微组织中回火索氏体较其它试样细小均匀。这主要是采用临界淬火温度加热后奥氏体晶粒细化造成的。
采用随焊冲击旋转挤压法控制高强钢冷裂纹。为了增强加载区域的塑性延展,进行了曲面冲击头的设计,对强拘束度条件下40Cr钢工件,利用冲击旋转挤压曲面头进行了间距分别为80mm、100mm和110mm的随焊加载。采用小孔法测量了接头处的残余应力。实验结果表明,随焊冲击旋转挤压法能够显著减小残余应力,从减小接头残余应力的角度控制了高强钢焊接冷裂纹
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