激光局部热处理的多场耦合建模

基于温度、应力应变和微观结构之间的耦合效应关系,采用JMat Pro软件建立激光局部热处理的多场耦合模型,分析了热处理过程中温度场和残余应力场的分布。结果表明,70Cr3Mo钢内部和表面的最大残余应力分别为11.9 MPa和190 MPa,其边缘组织中的奥氏体几乎全部转化为马氏体。     

40Cr钢环形件淬火开裂分析

利用扫描电镜及能谱仪对40Cr钢环形件的断口形貌与微观成分进行了系统分析。结果表明:零件断口形貌呈脆性解理断裂,零件中心区域的夹杂物以及淬火残余应力大是其开裂的主要原因。微裂纹于夹杂物附近萌生,随后逐渐扩展直至零件断裂。     

A-100钢电子束焊缝力学性能及微观组织

采用电子束焊实现23Co14Ni12Cr3MoE超高强度钢(A-100钢)的连接。研究电子束焊对A-100钢力学性能及组织影响。结果表明，采用电子束直接熔化A-100钢锻件进行热处理(气淬)后的焊缝组织主要为板条状马氏体，且彼此位向交错分布成网篮状。焊缝组织呈现一定的不均匀性，中间的马氏体更为粗大，且残余奥氏体较少，热影响区残余奥氏体增多，存在大量薄膜状逆转奥氏体。A-100钢电子束焊缝与基体相比强度和塑性基本相当。焊缝和热影响区的缺口敏感性都较小，缺口敏感系数约为0.6。焊缝的冲击韧性下降到基体的2/3，但热影响区的冲击韧性回升到基体的80%以上。焊缝的高周疲劳极限可以达到700 MPa以上，焊缝具有较好的疲劳性能。 创新点： 采用电子束焊接技术对A-100超高强度钢进行了焊接，对比分析了预备热处理+焊接+最终热处理的焊缝及预备热处理+最终热处理的基体的组织与性能。     

薄壁齿轮淬火变形有限元分析与改进

本文以45钢薄壁齿轮为研究对象,采用有限元方法研究了薄壁齿轮在吊装和平放两种装炉方式下的淬火冷却过程,分析了其温度场、应力场及相应的变形规律。结果表明:薄壁齿轮在吊装850℃淬火时,齿顶在100 s下降到25℃,残余应力为150.6 MPa,变形量为0.054 mm;齿根在104 s下降到25℃,残余应力为227.31 MPa,变形量为0.058 mm;节圆内部在104 s下降到25℃,残余应力为178.77 MPa,变形量为0.056 mm。薄壁齿轮在平放850℃淬火时,齿顶在86 s下降到25℃,残余应力为178.82 MPa,变形量为0.066 mm;齿根在90 s下降到25℃,残余应力为255.56 MPa,变形量为0.069 mm;节圆内部在90 s下降到25℃,残余应力为191.73 MPa,变形量为0.068mm。淬火变形是由热应力和组织应力导致的。装炉方式会影响薄壁齿轮的淬火变形,吊装变形量相对平放较小。     

900 MPa级无缝钢管纵向开裂失效分析

某900 MPa级无缝钢管在钻探过程中发生开裂现象。通过化学成分、力学性能和金相组织分析,未发现与产品出厂性能有差异,非产品组织异常、成分偏差或性能偏低引起的质量问题。在此基础上,采用有限元仿真分析了管体受力状况,并使用X射线残余应力分析仪测量钢管表层及不同深度层的残余应力,对使用过程中开裂的原因进行了进一步的分析。结果表明：钢管服役工况切应力在100 MPa以上。残余应力最大值均出现在浅表层约1 mm深度处,最大达784 MPa。浅表层高值残余应力是导致钢管生产完毕后在浅表层局部区域产生毛细小裂纹的主要原因,后期在用户使用过程中外加载荷叠加残余应力导致这些毛细小裂纹二次扩展形成多裂纹源开裂的主裂纹,最终形成钢管纵裂。     

激光近净成形SS316/Ni20复合材料的开裂机理

采用激光近净成形制备梯度材料时异种材料的混合易产生缺陷,严重制约了梯度材料的应用。采用激光近净成形技术制备不同成分比的SS316/Ni20复合材料薄壁结构,并利用OM、SEM、XRD、EDS等检测手段研究不同成分比时复合材料的显微组织、相组成及元素分布。对裂纹的微观形貌、裂纹断面的元素分布进行分析。结果表明:在给定工艺条件下,SS316质量分数为100%、20%~0时成形件形貌较好,无裂纹缺陷,SS316质量比在90%~30%时成形件发生开裂。裂纹沿晶界扩展,裂纹断面上晶粒清晰可辨,属于热裂纹范畴。成形件开裂主要原因是凝固过程中杂质元素在晶界偏析形成连续的液膜,以及硬质相在晶界上的连续析出,降低晶粒间的结合强度,使其在残余应力作用下产生开裂。     

激光热处理对1Cr13井口用钢抗硫化物应力腐蚀性能的影响

对1Cr13井口用钢进行了表面激光热处理,通过慢应变速率拉伸试验研究了激光热处理对1Cr13钢在NACE饱和H2S溶液中应力腐蚀敏感性的影响,运用X射线衍射仪对比分析了激光热处理前后1Cr13井口用钢试件的残余应力及残留奥氏体,用扫描电镜和能谱分析仪研究了激光热处理前后其断口形貌和腐蚀产物的化学成分组成,分析了激光热处理对1Cr13井口用钢H2S应力腐蚀开裂的影响机理。结果表明:原始状态1Cr13钢在NACE饱和H2S溶液中为脆性断裂,激光热处理后断口由脆性向韧性转变;激光热处理后应力腐蚀敏感性指数由75%下降至69.4%,材料的屈服极限和强度极限有较大的提升。激光热处理后表层残留奥氏体含量增加,晶粒细化以及残余应力由处理前的拉应力变为处理后的压应力是抗应力腐蚀性能提高的主要机制。     

激光热处理对X80管线钢焊接接头疲劳性能的影响

利用CO2激光器对X80管线钢焊接接头进行表面热处理,通过拉伸疲劳对比试验,用罗卡提法求出激光热处理前后X80管线钢焊接接头的疲劳极限。采用扫描电镜和金相显微镜分析激光热处理前后X80管线钢焊接接头的组织与断口形貌,通过X射线衍射仪分析了激光热处理前后X80管线钢焊接接头的残余应力及残留奥氏体,并对激光热处理提高抗疲劳断裂机理进行了探讨。结果表明,激光热处理在试样表面形成强化层,使X80管线钢焊接接头疲劳强度由542 MPa提高到604 MPa,提高了11.4%;原始状态下试样疲劳裂纹源起始于试样表面,经激光热处理后试样疲劳裂纹源转移至次表层;残留奥氏体增加、强化层晶粒细化和残余压应力场是提高疲劳强度的主要机制。     

军机薄壁结构损伤超声跨态处理新工艺

提出超声跨态处理（UPPW）控制激光焊接军机薄壁结构残余应力和变形的新方法.在激光焊接过程中,通过辅加超声振动场,影响激光熔池的形成、流动和凝固等几个关键跨态转变阶段及焊缝的高温超塑性固态相变阶段,达到改善焊缝凝固组织,控制焊接变形,缓释残余应力,提高接头力学性能以及减少裂纹等缺陷的目的.结果表明,UPPW工艺可以显著降低飞机薄壁焊件的残余应力和变形,在合适的工艺参数下,能够使1.5 mm厚TC4航空钛合金薄板焊接件的残余变形降至常规焊接变形量的50%左右,显微组织晶粒度提高约1个级别,且组织形态更加均匀.     

K438高温合金补焊接头热处理裂纹研究

对K438高温合金补焊件热处理裂纹进行了研究,观察了裂纹的分布特征,分析了不同裂纹的形成机理。结果表明,热处理后热影响区出现两类裂纹:不连续的液化裂纹和起始于熔合区,向母材扩展的应变时效裂纹。应变时效裂纹取决于焊缝的残余应力和敏感组织,M_(23)C_6和M_6C的存在增加了晶界脆性,增大了裂纹开裂的倾向性。当应力超过合金的强度极限即发生开裂。液化裂纹是由于晶界的低熔点(γ+γ′)共晶相在热处理时被重新熔化,削弱了晶粒间的内聚力,导致裂纹的产生。     

50Mn钢环形件的热处理

对外径1 233 mm、内径1 088 mm、高96 mm的50钢环形件进行了两种工艺的热处理:从碾压后的850～950℃直接水淬随后高温回火及锻造后调质处理。检测了热处理后环形件的显微组织和力学性能。结果表明:碾压成形后直接淬火随后回火的环形件的抗拉强度为859～874 MPa,屈服强度为528～564 MPa,断后伸长率为24%～26%,断面收缩率为64%～65%,冲击韧度为51～73 J;而锻造后调质处理的环形件的力学性能相应为抗拉强度850～865 MPa,屈服强度517～554 MPa,断后伸长率20%～22%,断面收缩率58%～60%,冲击韧度45～65 J,均符合要求,但总体上前者优于后者。经两种工艺热处理的环形件显微组织均未回火索氏体。碾压成形后直接淬火的工艺还具有节能降耗和缩短生产周期等优点。     

胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究

针对铝合金淬火残余应力突出的问题,研究了消减铝合金环形件淬火残余应力的方法即胀形法。该方法通过液压胀形机对环形件施加胀形力,使得环形件产生拉伸的效果。采用ABAQUS有限元软件对2219铝合金环形件淬火残余应力及胀形法进行有限元模拟。进行胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力工艺试验,采用压痕应变法对环形件的残余应力进行测试。研究结果表明:该环形件淬火残余应力很大,最大值超过300MPa;胀形法可有效消减淬火残余应力,当胀形量为3%时,残余应力幅值降至40MPa以内;试验结果与模拟结果一致。     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10^(5)℃/s。热循环温度峰值超过2500℃,最高达2876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

激光熔化沉积TC18钛合金组织及缺口高周疲劳性能

研究了激光熔化沉积TC18钛合金沉积态及热处理后的组织,以及室温缺口高周疲劳裂纹萌生和扩展特性.激光熔化沉积态组织由具有沿沉积方向定向生长特征的短柱晶及等轴晶组成,晶粒内部为超细的网篮组织;通过双重退火处理后,组织转变为较粗大的片层状网篮组织.研究表明,随着试样最大循环应力的升高,主裂纹长度降低,疲劳寿命也降低;激光熔化沉积TC18钛合金缺口疲劳裂纹源唯一,且起源于缺口根部表面处;疲劳裂纹扩展区发现两种类型的二次裂纹,二次裂纹有助于消耗裂纹扩展能,有助于提高疲劳极限.     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10~5℃/s。热循环温度峰值超过2 500℃,最高达2 876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

X100钢级螺旋缝埋弧焊管抗H_2S腐蚀性能研究

对X100钢级螺旋缝埋弧焊管进行了氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)试验研究,结果表明:X100钢级螺旋缝埋弧焊管焊接接头比管体的抗H2S腐蚀性能差。分析认为:带状组织和硬度高是导致管体和焊接接头氢致裂纹超标的主要原因,氢致裂纹主要是穿晶型和沿晶型开裂;而焊缝中存在夹杂物,以及焊缝中晶内针状铁素体组织和热影响区中粒状贝氏体组织引起的硬度波动和偏高,是导致焊缝处发生应力腐蚀断裂的主要原因。电化学试验和残余应力测试,也进一步证实了X100钢级螺旋缝埋弧焊管焊接接头比管体更易于腐蚀。     

硫化氢环境中17-4PH钢抗氢致开裂与应力腐蚀开裂性能

根据美国NACE标准研究了17-4PH钢在酸性H2S水溶液中的抗氢致开裂(HIC)和应力腐蚀开裂(SCC)的性能,利用光学显微镜及扫描电镜(SEM)观察了裂纹及组织形貌,并结合理论分析了材料的氢致开裂与应力腐蚀开裂行为。结果表明:17-4PH钢在标准NACE试验溶液中会产生氢致裂纹,试样内部微裂纹主要在晶界、夹杂等缺陷处成核并扩展;标准C型环试样在0.8σs的恒应力作用下,浸泡于饱和硫化氢溶液中,720h内3组试样均发生断裂,表明其SCC敏感性较大,试样的宏观裂纹由边缘向内部扩展;扫描电镜结果显示,SCC断口有明显的脆性断裂(解理断口)特征,应力腐蚀开裂是由HIC引起,且裂纹扩展形式多为穿晶型。     

关于低合金钢热影响区消除应力热处理裂纹的研究

前言焊后进行消除应力热处理的目的是减少焊接残余内应力,降低接头的硕度和改善其金相组织。但是,由于钢种的不同,在消除应力热处理(以下简称 SR 处理)过程中,在某些钢种的接头区容易产生裂纹。一般认为,这种消除应力热处理裂纹(以下简称 SR 裂纹),对80公斤/毫米~2级低合金高强度钢和Cr—Mo—V 钢等钢种特别敏感。     

激光快速成形修复薄壁盘环零件的有限元分析

针对航空中应用的钛合金薄壁盘环零件激光快速成形修复(LRR),建立了3D参数化有限元模型,分析了修复过程中薄壁盘环件的应力和变形演化规律。计算结果表明,应用LRR技术可以成功地实现对薄壁盘环零件的修复。彻底冷却后,修复件的残余应力属于低残余应力水平,零件水平薄壁与竖直薄壁交界处的残余拉应力较大,修复件的整体变形也比较小,两薄壁均在靠近其外端部位置的变形量比其内部要大。冷却阶段的应力分布与熔覆刚完成时的应力分布规律基本相同。随成形修复过程的进行,薄壁修复件的最大变形量增大,冷却时,修复件最大变形量随时间的增加而逐渐减小。     

扫描速率对SLM成形718HH模具钢成形性的影响

利用选区激光熔化成形技术于激光扫描速度800～1100 mm/s范围内制备了718HH塑料模具钢试样。采用光学显微镜、扫描电镜和半自动显微硬度计研究了激光扫描速率对选区激光熔化成形718HH塑料模具钢试样成形质量、显微组织和显微硬度的影响规律。研究表明,随着扫描速率的增加,成形件内部孔洞的数量增多、尺寸变大,且侧表面边界出现不同程度的裂纹;腐蚀后的成形件,其组织主要由马氏体组成,侧表面可以观察到典型的熔池形貌,且随着扫描速率的增大,熔池分布越来越不均匀;成形件具有较高的显微硬度,由于晶粒尺寸、残余应力以及孔洞裂纹等缺陷的综合影响,成形件的平均显微硬度随着扫描速率的增加呈现先升高后降低的趋势。当扫描速率为800 mm/s时,成形件内部几乎没有孔洞和裂纹等缺陷,成形组织致密,且具有良好的显微硬度,适用于718HH模具钢的选区激光熔化成形。