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模具鋼硬態切削顯微組織演變建模與仿真 版權信息
- ISBN：9787030698230
- 條形碼：9787030698230 ; 978-7-03-069823-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
模具鋼硬態切削顯微組織演變建模與仿真 內容簡介
本書結合作者多年從事模具鋼硬態切削過程中的顯微組織動態演變研究的成果撰寫而成。在全面分析國內外硬態切削技術發展現狀的基礎上，著重闡述了模具鋼硬態切削顯微組織演變研究現狀、硬態切削切屑顯微組織演變、切削亞表層顯微組織表征及演變機理、切削亞表層顯微組織動態演變仿真、切削表面層力學性能評定及硬態切削工藝優化等。本書兼顧理論建模與仿真分析兩個方面，系統總結了模具鋼硬態切削切削顯微組織演變建模及仿真研究中的優選成果。
模具鋼硬態切削顯微組織演變建模與仿真 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和研究意義 1
1.2 模具鋼硬態切削變形區顯微組織及性能的研究現狀 5
1.2.1 H13鋼的顯微組織及力學性能 5
1.2.2 切削變形區顯微組織表征 7
1.2.3 切削變形區顯微組織動態演變機理 9
1.2.4 切削過程中的材料相變仿真 11
1.2.5 切削過程中的材料晶粒細化仿真 14
1.2.6 切削表面層材料的宏觀力學性能 16
1.2.7 切削工藝參數優化 18
1.3 本章小結 19
第2章 H13鋼硬態切削實驗及切削仿真模型 21
2.1 H13鋼硬態切削實驗 21
2.2 切屑形貌 24
2.3 切削力和切削溫度 27
2.4 機械-熱耦合載荷下的切削仿真模型 29
2.4.1 切削仿真模型的等效簡化 29
2.4.2 切削仿真模型的建立 30
2.4.3 本構模型參數的選擇 32
2.4.4 切削仿真模型驗證 35
2.5 本章小結 36
第3章 H13鋼硬態切削切屑顯微組織表征及動態演變仿真 38
3.1 顯微組織表征和顯微硬度測試 38
3.1.1 H13鋼基體顯微組織表征 38
3.1.2 H13鋼基體和切屑顯微硬度測試 41
3.2 切屑顯微組織演變機理 43
3.3 基于相變動力學的切屑顯微組織動態演變仿真 45
3.3.1 理論相變模型的構建 45
3.3.2 相變仿真模型的實現 47
3.3.3 切削相變仿真結果分析 50
3.3.4 切屑相變仿真模型實驗驗證 54
3.4 本章小結 57
第4章 H13鋼硬態切削亞表層顯微組織表征及演變機理 59
4.1 切削亞表層顯微組織表征及力學性能測試 59
4.1.1 顯微組織表征 59
4.1.2 微觀力學性能測試 59
4.2 機械-熱耦合載荷下材料塑性變形模型 60
4.3 工藝參數對切削亞表層顯微組織演變的影響 64
4.3.1 切削速度對顯微組織演變的影響 64
4.3.2 每齒進給量對顯微組織演變的影響 66
4.3.3 徑向切削深度對顯微組織演變的影響 68
4.3.4 刃口鈍圓半徑對顯微組織演變的影響 70
4.4 切削亞表層顯微組織的EBSD分析 71
4.4.1 晶界 72
4.4.2 Schmid因子 73
4.4.3 反極圖 76
4.5 切削亞表層納米硬度 78
4.6 切削亞表層晶粒細化機理 79
4.7 本章小結 85
第5章 H13鋼硬態切削亞表層晶粒尺寸及顯微硬度動態演變仿真 86
5.1 基于動態再結晶的切削亞表層晶粒尺寸和顯微硬度動態演變仿真 86
5.1.1 晶粒尺寸和顯微硬度預測模型的構建 86
5.1.2 模型參數的確定和實現 88
5.2 仿真結果討論 89
5.2.1 切削速度對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 89
5.2.2 每齒進給量對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 91
5.2.3 徑向切削深度對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 93
5.3 仿真與實驗結果對比 96
5.4 基于位錯密度的切削亞表層晶粒尺寸動態演變仿真 100
5.4.1 晶粒尺寸演變模型構建 100
5.4.2 演變模型子程序實現 101
5.4.3 顯微組織演變模型參數確定 102
5.5 顯微組織演變模型驗證 103
5.5.1 切屑顯微組織演變形態驗證 103
5.5.2 切削亞表層顯微組織形態驗證 104
5.6 工藝參數對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 107
5.6.1 切削速度對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 107
5.6.2 刀具前角對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 111
5.7 本章小結 116
第6章 切削表面層力學性能評定及硬態切削工藝優化 118
6.1 自動球壓痕實驗 118
6.1.1 實驗條件 118
6.1.2 實驗結果分析 120
6.2 基于自動球壓痕法的表面層力學性能評定 123
6.2.1 屈服強度、應變硬化指數、抗拉強度和硬度計算 123
6.2.2 斷裂韌度計算 124
6.3 實驗結果與討論 127
6.3.1 切削速度對力學性能的影響 127
6.3.2 每齒進給量對力學性能的影響 130
6.3.3 徑向切削深度對力學性能的影響 132
6.3.4 刃口鈍圓半徑對力學性能的影響 134
6.3.5 刀尖圓弧半徑對力學性能的影響 137
6.3.6 工藝參數、亞表層厚度和力學性能之間的映射關系 139
6.4 基于切削亞表層厚度的硬態切削工藝參數優化 143
6.4.1 基于中心組合響應曲面法的硬態切削實驗設計 143
6.4.2 切削亞表層厚度預測模型 144
6.4.3 工藝參數對亞表層厚度的影響及*優工藝參數組合 146
6.5 本章小結 150
第7章 結論與展望 151
7.1 研究結論 151
7.2 未來展望 153
參考文獻 154
附錄1 符號對照表 169
附錄2 奧氏體相變主程序 173
附錄3 基于動態再結晶的晶粒尺寸預測主程序 175
附錄4 基于位錯密度的晶粒尺寸預測主程序 177
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和研究意義 1
1.2 模具鋼硬態切削變形區顯微組織及性能的研究現狀 5
1.2.1 H13鋼的顯微組織及力學性能 5
1.2.2 切削變形區顯微組織表征 7
1.2.3 切削變形區顯微組織動態演變機理 9
1.2.4 切削過程中的材料相變仿真 11
1.2.5 切削過程中的材料晶粒細化仿真 14
1.2.6 切削表面層材料的宏觀力學性能 16
1.2.7 切削工藝參數優化 18
1.3 本章小結 19
第2章 H13鋼硬態切削實驗及切削仿真模型 21
2.1 H13鋼硬態切削實驗 21
2.2 切屑形貌 24
2.3 切削力和切削溫度 27
2.4 機械-熱耦合載荷下的切削仿真模型 29
2.4.1 切削仿真模型的等效簡化 29
2.4.2 切削仿真模型的建立 30
2.4.3 本構模型參數的選擇 32
2.4.4 切削仿真模型驗證 35
2.5 本章小結 36
第3章 H13鋼硬態切削切屑顯微組織表征及動態演變仿真 38
3.1 顯微組織表征和顯微硬度測試 38
3.1.1 H13鋼基體顯微組織表征 38
3.1.2 H13鋼基體和切屑顯微硬度測試 41
3.2 切屑顯微組織演變機理 43
3.3 基于相變動力學的切屑顯微組織動態演變仿真 45
3.3.1 理論相變模型的構建 45
3.3.2 相變仿真模型的實現 47
3.3.3 切削相變仿真結果分析 50
3.3.4 切屑相變仿真模型實驗驗證 54
3.4 本章小結 57
第4章 H13鋼硬態切削亞表層顯微組織表征及演變機理 59
4.1 切削亞表層顯微組織表征及力學性能測試 59
4.1.1 顯微組織表征 59
4.1.2 微觀力學性能測試 59
4.2 機械-熱耦合載荷下材料塑性變形模型 60
4.3 工藝參數對切削亞表層顯微組織演變的影響 64
4.3.1 切削速度對顯微組織演變的影響 64
4.3.2 每齒進給量對顯微組織演變的影響 66
4.3.3 徑向切削深度對顯微組織演變的影響 68
4.3.4 刃口鈍圓半徑對顯微組織演變的影響 70
4.4 切削亞表層顯微組織的EBSD分析 71
4.4.1 晶界 72
4.4.2 Schmid因子 73
4.4.3 反極圖 76
4.5 切削亞表層納米硬度 78
4.6 切削亞表層晶粒細化機理 79
4.7 本章小結 85
第5章 H13鋼硬態切削亞表層晶粒尺寸及顯微硬度動態演變仿真 86
5.1 基于動態再結晶的切削亞表層晶粒尺寸和顯微硬度動態演變仿真 86
5.1.1 晶粒尺寸和顯微硬度預測模型的構建 86
5.1.2 模型參數的確定和實現 88
5.2 仿真結果討論 89
5.2.1 切削速度對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 89
5.2.2 每齒進給量對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 91
5.2.3 徑向切削深度對晶粒尺寸和顯微硬度的影響 93
5.3 仿真與實驗結果對比 96
5.4 基于位錯密度的切削亞表層晶粒尺寸動態演變仿真 100
5.4.1 晶粒尺寸演變模型構建 100
5.4.2 演變模型子程序實現 101
5.4.3 顯微組織演變模型參數確定 102
5.5 顯微組織演變模型驗證 103
5.5.1 切屑顯微組織演變形態驗證 103
5.5.2 切削亞表層顯微組織形態驗證 104
5.6 工藝參數對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 107
5.6.1 切削速度對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 107
5.6.2 刀具前角對切削亞表層位錯密度和晶粒尺寸的影響 111
5.7 本章小結 116
第6章 切削表面層力學性能評定及硬態切削工藝優化 118
6.1 自動球壓痕實驗 118
6.1.1 實驗條件 118
6.1.2 實驗結果分析 120
6.2 基于自動球壓痕法的表面層力學性能評定 123
6.2.1 屈服強度、應變硬化指數、抗拉強度和硬度計算 123
6.2.2 斷裂韌度計算 124
6.3 實驗結果與討論 127
6.3.1 切削速度對力學性能的影響 127
6.3.2 每齒進給量對力學性能的影響 130
6.3.3 徑向切削深度對力學性能的影響 132
6.3.4 刃口鈍圓半徑對力學性能的影響 134
6.3.5 刀尖圓弧半徑對力學性能的影響 137
6.3.6 工藝參數、亞表層厚度和力學性能之間的映射關系 139
6.4 基于切削亞表層厚度的硬態切削工藝參數優化 143
6.4.1 基于中心組合響應曲面法的硬態切削實驗設計 143
6.4.2 切削亞表層厚度預測模型 144
6.4.3 工藝參數對亞表層厚度的影響及*優工藝參數組合 146
6.5 本章小結 150
第7章 結論與展望 151
7.1 研究結論 151
7.2 未來展望 153
參考文獻 154
附錄1 符號對照表 169
附錄2 奧氏體相變主程序 173
附錄3 基于動態再結晶的晶粒尺寸預測主程序 175
附錄4 基于位錯密度的晶粒尺寸預測主程序 177
展開全部
模具鋼硬態切削顯微組織演變建模與仿真 節選
第1章 緒論 模具鋼硬態切削技術具有明顯的技術優勢和經濟優勢，正朝著高速化、實用化的方向發展。目前，關于硬態切削表面質量的研究和取得的成果主要集中在表面幾何特征方面，而關于硬態切削變形區的顯微組織演變和切削表面層力學性能的研究卻相對缺乏。本章通過對硬態切削變形區顯微組織的演變機理、仿真建模、切削表面層力學性能評價及硬態切削工藝參數優化等方面的國內外研究現狀進行分析概述，指出目前關于模具鋼硬態切削顯微組織演變研究方面存在的問題，從而確定本書的主要內容。 1.1 研究背景和研究意義 隨著科學技術的不斷進步，各種先進成形技術如3D打印[1]、激光成形[2]、粉末冶金[3]等極大地推動了機械制造業的升級和發展。盡管如此，切削加工依然在成形方面占有*重要的地位，絕大部分重要零件的*終成形工藝仍以切削為主，因此切削是應用范圍*廣的一種機械制造方法[4]。金屬切削過程中材料的劇烈彈塑性變形以及刀具-切屑和刀具-工件界面摩擦產生的大量切削熱，導致切削區呈現“高溫、高壓、高應變率”的特點，從而使刀具磨損加劇、表面質量惡化、切削效率降低。通過外部供給具有冷卻、潤滑作用的切削液至切削區，可以達到顯著減緩刀具磨損、改善加工表面質量和提高切削效率的目的[5-7]。然而，使用大流量切削液的傳統澆注式切削過程(圖1-1)總是伴隨著大量的資源和能源消耗，與現在所倡導的“創建資源節約型、環境友好型社會”的發展理念背道而馳。更為重要的是，切削液的使用會產生大量的無法降解的廢棄溶液，不僅造成環境污染，而且對操作人員的身體健康造成威脅[8，9]。因此，發展綠色、可持續的先進制造技術替代傳統切削技術迫在眉睫，其具體要求是：環境友好、資源節約、無害、無廢棄物以及節約生產成本[10]。對于機械加工領域，發展可持續制造技術主要是基于刀具技術的創新和冷卻潤滑方式的轉變[11]。 隨著高性能機床的出現和先進刀具材料性能的不斷提高，不使用任何切削液或僅使用微量可降解切削油的硬態切削技術在現代化制造體系中備受學術界和工業界的青睞。硬態切削，是指采用先進刀具在干式/準干式條件下直接切削具有較高硬度的材料(包括模具鋼、軸承鋼等)[12-14]。硬態切削技術完全符合“綠色制造、可持續發展”的清潔生產要求，被稱為“*具應用前景的先進制造技術之一”。與傳統切削方式相比，硬態切削技術具有十分明顯的優勢(圖1-2)，如實現以切代磨、表面粗糙度小、材料去除率大、生產效率高、成本低、能耗小且環境污染小等[15，16]，已經在齒輪、軸承、模具、汽車和機床制造等行業得到推廣應用[17，18]。盡管硬態切削技術已經展現出巨大的應用優勢和未來發展潛力，但是目前仍然面臨許多挑戰，主要體現在兩個方面：①硬態切削過程中過高的刀具-切屑和刀具-工件接觸溫度容易降低刀具切削刃的硬度，發生塑性變形甚至失效[19，20]；②劇烈的彈塑性變形和過高的切削溫度會造成切削亞表層材料的顯微組織和物理、力學性能發生變化，降低加工表面層質量[21]。 圖1-1 傳統澆注式切削過程 圖1-2 硬態切削技術的優勢 材料的失效主要有疲勞、腐蝕和磨損，統計數據顯示，疲勞在各種失效形式中占60%以上，航空和機車行業占80%以上。但無論是疲勞還是腐蝕和磨損往往都起源于表面或亞表層，即疲勞源是從加工表面之下微米尺度范圍內開始的，這表明已加工表面之下的材料的顯微組織和物理、力學性能變化對零部件的使用性能產生顯著影響[22，23]。由此可知，表面層質量成為影響被加工零件的使用性能和疲勞壽命的關鍵因素，而表面完整性是衡量切削加工質量好壞的*重要指標。如圖1-3所示，表面層包括切削表面和亞表層[24]。本書將光學顯微鏡(optical microscope， OM)或掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope， SEM)下觀測到的切削試樣橫斷面呈現出不同于原始基體的顯微組織的區域統稱為亞表層，也有學者稱其為變質層。亞表層(變質層)包括而又不限于白層、暗層和塑性變形層等，位于亞表層下面的是基體。 圖1-3 切削表面層示意圖[24] 表面層質量具體是指表面幾何特征、亞表層顯微組織結構和表面層性能。表面完整性的具體含義是指為保持和提高材料固有的力學、物理、化學、生物等使用性能而需使表面層材料具有不同于基體的特定狀態和性能[25，26]，其內涵與外延如圖1-4所示。其中，表面幾何特征包括表面形貌、加工紋理、波度、表面粗糙度等；亞表層顯微組織結構主要包括微觀組織、相結構及含量、晶體織構等參數；表面層性能主要是指表面層材料的屈服強度、拉伸強度、斷裂韌度、顯微硬度、殘余應力等力學參數。對于表面幾何特征(主要包括表面粗糙度、三維形貌、表面缺陷)這一衡量切削表面層質量的評價指標，人們已經開展了較為系統的研究，并取得了一系列原創性成果[27-29]。然而，隨著科學技術的不斷發展和工作環境的不斷擴展，很多零件都是在高溫、高壓、高速、重載和腐蝕等較為惡劣的條件下工作的。零件的表面層質量會對產品的配合質量、耐磨性、耐用性、疲勞強度、高溫強度、耐腐蝕性等使用性能產生很大影響，因此，人們對機械零件的加工表面質量要求也越來越高。換言之，切削過程中除了要保證零件的表面幾何特征，更要特別重視被加工零件的切削亞表層顯微組織及其物理、力學性能，即實現由“控形制造”向“控形控性制造”的轉變。對于切削加工，零件的疲勞失效與切削亞表層材料的晶粒細化、塑性變形、加工硬化、相變、二次相析出等顯微組織演變以及由此引起的物理、力學性能變化密切相關[30-32]。此外，零件的被加工表面完整性直接受制于零件材料特性、刀具材料(包括涂層材料)特性、刀具結構和幾何參數、切削參數、冷卻潤滑方式及參數等切削條件。因此，研究硬態切削工藝參數對切削區顯微組織及其物理、力學性能的影響，進而控制被加工零件的表面完整性從而達到改善加工零件性能、延長其使用壽命的目的就顯得十分重要。 圖1-4 表面完整性概念的內涵與外延示意圖 AISI H13鋼(其成分、性能與國產4Cr5MoSiV1鋼相近)是一種Cr-Mo-V基熱作模具鋼，主要應用于熱鍛模具、熱擠壓模具以及有色金屬壓鑄模具的制造[33]。熱鍛模具使用條件較為惡劣，需承受高溫、高壓和較大沖擊力；熱擠壓模具在擠壓過程中要承受較大的壓力、較高的溫度和劇烈的摩擦；壓鑄模具工作時與高溫的液態金屬接觸，不僅受熱時間長，而且承受很高的壓力，此外還受到反復加熱和冷卻的作用以及金屬液流的高速沖刷。上述工作條件使得熱作模具的主要失效形式表現為熱應力循環導致的熱疲勞裂紋、龜裂、磨損和過量的塑性變形等。這就要求制作熱作模具的H13鋼具有較高的強度、足夠的韌性、較好的耐磨性和良好的冷熱疲勞抗力。 處于淬硬狀態的H13鋼具有硬度高、延展性好、熱硬性好、抗熱沖擊和熱軟化以及耐磨性好等特點[34，35]。然而，H13鋼的高硬度也使其成為典型的難加工材料之一，主要原因如下：①H13鋼硬態切削過程中的切削變形區高溫會加劇刀具磨損，造成刀具壽命驟降；②切削變形區的高溫和高剪切應變會使切削表面層質量變差，工件的幾何精度降低。需要強調的是，切削亞表層顯微組織及其性能同樣在熱-機械耦合載荷的共同作用下發生了實質性變化，產生塑性變形、動態再結晶、相變以及加工硬化等。亞表層材料的顯微組織主要是由尺寸在幾十納米到上百納米之間的微小晶粒組成的，細小晶粒和高密度位錯的存在使得亞表層硬度顯著高于基體，在提高耐磨性的同時伴隨著很大的脆性和殘余應力場的產生，極易造成微裂紋的萌生和擴展。研究表明，熱作模具使用過程中產生的過早變形和裂紋萌生主要始于表面或亞表層，因此開展H13鋼硬態切削過程中亞表層顯微組織演變預測和力學性能評價研究，進而優化H13鋼硬態切削工藝是實現模具長壽命服役的重要前提和保障措施。 目前，硬態切削技術正處于從單一材料向多種材料、從低速切削向中高速切削、從“控形制造”向“控形控性制造”探索轉變的發展過程中。我國模具制造業對高精度、高效率、高質量和高性能的切削技術有著迫切需求，同時也在極力研究并推廣使用硬態切削技術。然而，由于缺少對H13鋼硬態切削過程中切削變形區顯微組織演變規律、演變機理和力學性能評價等方面的基礎研究，切削變形區顯微組織演變規律難以摸清、演變機理難以闡釋、力學性能難以量化評定等，這極大地限制了硬態切削技術在模具行業的普及和推廣應用。因此，需要從硬態切削工藝參數對顯微組織演變規律、演變機理和切削表面層材料力學性能變化的影響等方面開展系統研究，實現H13鋼硬態切削由“控形制造”向“控形控性制造”的轉變和對表面層材料力學性能的綜合評價，推動硬態切削技術在我國模具制造領域及其他行業的進一步推廣應用。 1.2 模具鋼硬態切削變形區顯微組織及性能的研究現狀 1.2.1 H13鋼的顯微組織及力學性能 H13鋼的化學元素組成及其質量分數如表1-1所示。H13鋼的基本物理、力學性能和臨界溫度分別如表1-2和表1-3所示。碳含量決定鋼淬火后的硬度，由淬火鋼硬度與碳含量之間的曲線關系可知[33]，H13鋼的淬火硬度約為50HRC。H13鋼的奧氏體化溫度范圍是1000～1060℃。為了使H13鋼的力學性能滿足使用要求，通常采用淬火+回火的熱處理工藝，具體的熱處理過程如圖1-5所示。淬火后H13鋼的顯微組織是板條狀馬氏體、未溶碳化物和少量殘余奧氏體，再經2～3次高溫回火(回火溫度為540～650℃)，消除工件中的淬火應力和少量殘余奧氏體以及未溶碳化物，從而達到馬氏體韌化的目的[36]，其顯微組織金相圖和相組成X射線衍射(X-ray diffraction， XRD)圖譜如圖1-6所示。相關研究表明，H13鋼內部存在著嚴格的、尺度不同的多層級顯微組織結構[37-40]：原奧氏體晶粒內部存在著多個慣習面相同而晶體取向不同的馬氏體板條束，板條束又根據晶體取向進一步劃分為若干個板條塊，每一個板條塊*終是由許多馬氏體板條單元組成的，如圖1-7所示。 表1-1 H13鋼的化學元素組成及其質量分數 表1-2 常溫條件下H13鋼的基本物理、力學性能 圖1-5 H13鋼熱處理過程 圖1-6 淬硬H13鋼金相圖及相組成XRD圖譜
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