电火花沉积Ni201修复层应力场数值模拟及界面行为的研究
本文关键词:电火花沉积Ni201修复层应力场数值模拟及界面行为的研究,由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】:电火花沉积作为一种表面强化修复技术,其实质是一种微弧焊接工艺,对受损机械零部件的修复强化具有重要意义。本文采用DHD-6000型电火花沉积设备在Q235基体表面制备了Ni201修复改性层,对Ni201修复层的界面行为进行了深入研究。并通过建立有限元分析模型,对电火花沉积温度场和应力场进行了模拟分析。利用有限元分析软件ANSYS对电火花沉积温度场和应力场分布规律进行了研究。选取Gauss热源模型,施加合理的热边界条件和位移约束条件,先模拟计算温度场,然后再模拟分析应力场。分析结果显示,基体的温度随着沉积热源的移动而发生剧烈的变化,热应力主要分布在温度梯度较大的区域,沿沉积中心线方向上的纵向残余应力均表现为拉应力,最大值约为245MPa,横向残余应力在沉积起始和结束的两个区域均呈现出压应力,压应力最大为227.5MPa,与经典理论的结果基本吻合。选取弧比、能量输出幅度、频率等不同工艺参数,进行电火花沉积实验,利用电子扫描显微镜、能谱仪、X射线衍射等检测方法,研究了修复层与基体结合界面的微观结构、元素分布、相组成以及修复层表面残余应力。研究结果表明,Ni201修复层组织均匀致密,修复层界面主要由Fe10.8Ni、(Fe,Ni)、CoFe15.7等新相组成,基体元素与修复层元素之间相互扩散形成冶金结合方式,说明电火花沉积的修复层与基体不是简单的机械结合。经X射线衍射仪器检测,修复层表面残余应力随着能量输出幅度和弧比的增加而增大,但均未超出材料的屈服极限。根据电火花沉积实验的分析结果,通过设计正交实验来对比分析频率、能量输出幅度和弧比三个因素对修复层表面残余应力的影响程度,优化电火花沉积工艺,为降低修复层表面残余应力提供理论参考。结果表明,这三个因素对表面残余应力影响的程度由强到弱的顺序依次为弧比、能量输出幅度、频率。根据正交实验结果以及修复层界面结合的情况进行综合分析,得到电火花沉积修复层较好的工艺参数为:频率1000 Hz、弧比35%、能量输出幅度40%。
【关键词】:电火花沉积 修复层 界面行为 残余应力
【学位授予单位】:江西理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.4
【目录】:
- 摘要4-5
- Abstract5-10
- 第一章 绪论10-20
- 1.1 课题来源10
- 1.2 课题背景和意义10-11
- 1.3 电火花沉积技术国内外研究现状11-16
- 1.3.1 电火花沉积技术概况11-13
- 1.3.2 电火花沉积层结合强度的研究现状13
- 1.3.3 电火花沉积层耐磨性能的研究现状13-15
- 1.3.4 电火花沉积有限元模拟的研究概述15-16
- 1.3.5 电火花沉积技术的发展趋势16
- 1.4 电火花沉积技术的应用16-17
- 1.4.1 电火花沉积在电力行业的应用16-17
- 1.4.2 电火花沉积在模具修复中的应用17
- 1.4.3 电火花沉积在航空领域的应用17
- 1.5 研究目的及内容17-18
- 1.5.1 研究目的17-18
- 1.5.2 研究内容18
- 1.6 本文结构18-20
- 第二章 电火花沉积有限元分析的理论基础20-31
- 2.1 引言20
- 2.2 电火花沉积有限元模型的简化20-21
- 2.3 电火花沉积温度场理论分析21-26
- 2.3.1 温度场的基本方程21-22
- 2.3.2 热源模型22-26
- 2.4 电火花沉积应力场理论分析26-30
- 2.4.1 屈服准则26-27
- 2.4.2 流动准则27
- 2.4.3 强化准则27-28
- 2.4.4 应力应变关系28-29
- 2.4.5 平衡方程29-30
- 2.5 本章小结30-31
- 第三章 电火花沉积温度场和应力场数值模拟31-46
- 3.1 模型假设31-32
- 3.2 温度场数值模拟32-40
- 3.2.1 建模及网格划分前处理32-34
- 3.2.2 加载计算34-36
- 3.2.3 温度场的分布36-37
- 3.2.4 基体上各节点温度变化分析37-40
- 3.3 应力场数值模拟40-44
- 3.3.1 分析单元转化40
- 3.3.2 定义材料属性40
- 3.3.3 施加约束40
- 3.3.4 沉积过程应力结果分析40-43
- 3.3.5 沉积残余应力结果分析43-44
- 3.4 本章小结44-46
- 第四章 实验材料、设备及方法46-51
- 4.1 实验材料46
- 4.1.1 基体材料46
- 4.1.2 电极材料46
- 4.2 实验设备及检测仪器46-48
- 4.2.1 沉积设备46-48
- 4.2.2 检测设备48
- 4.3 实验过程48-50
- 4.3.1 电极极性选择48-49
- 4.3.2 修复层制备49
- 4.3.3 检测试样制备49-50
- 4.4 检测方法50-51
- 4.4.1 修复层形貌及金相显微组织观察50
- 4.4.2 修复层界面微观组织50
- 4.4.3 修复层界面物相及表面残余应力分析50-51
- 第五章 电火花沉积Ni201修复层界面行为研究51-64
- 5.1 引言51
- 5.2 实验方法51-52
- 5.3 实验结果与分析52-60
- 5.3.1 修复层界面微观形貌52-55
- 5.3.2 修复层界面元素分布55-58
- 5.3.3 修复层界面物相结构分析58-59
- 5.3.4 修复层表面残余应力分析59-60
- 5.4 界面结合机理分析60
- 5.5 电火花沉积工艺优化60-62
- 5.5.1 正交试验方案61
- 5.5.2 试验结果分析61-62
- 5.6 本章小结62-64
- 第六章 全文总结与展望64-66
- 6.1 全文总结64-65
- 6.2 展望65-66
- 参考文献66-69
- 致谢69-70
- 攻读学位期间的研究成果70-71
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,本文编号:406157
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