30CrMnSi鋼滲氮與激光淬火復(fù)合改性過程數(shù)值模擬.pdf

1、本文對30CrMnSi鋼滲氮-激光淬火復(fù)合改性過程進行了數(shù)值模擬與實驗驗證。采用Matlab，Thermo-calc和Abaqus軟件分別對滲氮層內(nèi)氮濃度分布，F(xiàn)e-C-N三元相圖，激光淬火溫度場進行了模擬計算，進而獲得了不同復(fù)合工藝的改性層硬化層深度、相分布和硬度分布。采用OM、XRD、SEM和EDS等手段對復(fù)合改性層的顯微組織，相結(jié)構(gòu)和滲入元素分別進行了分析，并對復(fù)合改性層的顯微硬度分布、殘余應(yīng)力進行了表征。
　　復(fù)合改性層的

2、硬化深度模擬結(jié)果表明，500℃×16h的滲氮試樣經(jīng)掃描速率為15mm/s的激光改性后硬化深度模擬值最深，達到553μm；相分布模擬結(jié)果表明，隨滲氮時間延長，復(fù)合改性層中的馬氏體分布深度有所提高，其分布范圍有明顯擴大；硬度分布模擬結(jié)果表明，復(fù)合改性層的硬度分布由表及里可分為滲氮-激光淬火綜合影響區(qū)（HV740）、激光淬火熱影響區(qū)（HV552）和基體（HV296）三部分，滲氮時間的延長有利于擴大改性層高硬度區(qū)域。
　　組織觀察表明，復(fù)

3、合改性層由表及里可分為四個區(qū)域：殘余奧氏體富集區(qū)、滲氮-激光淬火復(fù)合影響區(qū)、激光淬火熱影響區(qū)和基體。與原始滲氮層相比，激光淬火后改性層厚度顯著增加。
　　由XRD結(jié)果指出，激光淬火后滲氮層有殘余奧氏體生成，表層相結(jié)構(gòu)主要包括γ′-Fe4N、ε-Fe2-3N、AR和α′相；在激光掃描速率較小時，改性層出現(xiàn)Fe3O4。在掃描速率為30mm/s時，復(fù)合改性層中出現(xiàn)了ε相向γ′-Fe4N相的轉(zhuǎn)變。EDS分析表明，激光淬火后，最表層內(nèi)的N含

4、量明顯降低。
　　顯微硬度測試表明，復(fù)合改性層近表層硬度略有降低，改性層內(nèi)部硬度較高，硬度值可達HV0.1750以上。500?C×16h的滲氮試樣經(jīng)過掃描速率為15mm/s的激光改性后硬度曲線最佳，改性層中的最高硬度可達 HV0.1770，硬化深度達540μm。改性層硬度分布的模擬值與實驗值基本吻合，N元素的摻雜導(dǎo)致30CrMnSi鋼奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低是滲氮-激光淬火復(fù)合改性層硬化區(qū)域擴大的主要原因。
　　殘余應(yīng)力測試結(jié)果表