超硬刀具材料发展论文提纲

论文题目：H13钢硬态切削显微组织演变及力学性能评定

摘要：随着高性能机床和超硬刀具材料的不断发展,具有明显技术优势和经济优势的硬态切削技术越来越多地被应用于金属加工领域,比如铸铁和淬硬钢的硬态铣削和车削。由于硬态切削过程中不使用切削液或仅使用微量可降解切削油,刀具—切屑（简称刀—屑）和刀具—工件（简称刀—工）接触区的强机械—热载荷耦合作用往往会引起切屑和切削亚表层材料的显微组织发生演变,诸如相变、动态再结晶、晶体取向等多种金相状态的改变,从而引起切屑和切削亚表层物理、力学甚至化学性能的变化,进而对切削加工零件的强度和使用寿命等产生影响。因此,研究淬硬钢硬态切削过程中的变形区显微组织演变机理以及由此引起的宏观力学性能变化,可以实现对硬态切削材料显微组织演变的准确预测;进而通过控制和优化切削工艺参数,获得符合宏观物理力学性能要求的特定显微组织,为淬硬钢硬态切削技术的推广应用提供技术支持。本文以淬硬AISI H13钢（简称H13钢）的硬态铣削工艺为研究对象,围绕硬态切削过程中变形区材料的显微组织演变机理、切削物理量（温度场、应力场和应变场等）对显微组织（相变含量、晶粒尺寸）和显微硬度演变的影响以及切削参数—亚表层厚度—宏观力学性能三者之间的映射关系等开展研究,从而构建H13钢形性协同的硬态切削工艺体系,实现淬硬模具钢的高性能硬态切削。本文的主要研究工作总结如下:建立了基于Abaqus/Explicit软件的温度—位移耦合场的H13钢硬态切削仿真模型,以切屑形貌几何特征参数、切削力和切削温度等作为评价指标,实验验证了仿真模型的有效性,该模型可以为后续H13钢硬态切削显微组织演变预测模型提供包括温度场、应力场和应变场等在内的必需场变量。修正了奥氏体临界相变温度方程,借助FORTRAN语言开发了基于相变机制的显微组织演变预测模型,验证了相变预测模型的有效性,并揭示了切屑显微组织演变机理。分析了硬态切削过程中应力、应变效应对奥氏体临界相变温度的影响,以切削速度为变量,运用构建的模型预测了 H13钢切屑中奥氏体相变及含量。导致切屑底面显微组织发生演变的主要机理包括,一是当材料流经第一变形区（剪切区）时在位错迁移机理下形成位错胞或胞状亚结构;二是切屑在流动过程中与前刀面的剧烈摩擦导致温度超过奥氏体临界相变温度引起奥氏体晶粒形核,与前刀面分离后的冷却淬火效应造成奥氏体晶核直接逆转变生成淬火马氏体,导致晶粒进一步细化。利用先进材料表征技术对H13钢硬态切削亚表层显微组织进行了观测分析,揭示了切削亚表层显微组织演变机理。切削亚表层大致可以划分为三部分:非晶结构区、塑性变形区和基体;当切削参数较小时（如进给量）,亚表层仅可以看到塑性变形区和基体两部分。H13钢基体表现出沿X方向（RD）{101}晶面的织构择优取向,而切削试样的晶体取向呈随机分布,小角度晶界（LAGBs）频率出现了不同程度的增大,与位错胞或亚晶结构的形成有关。切削亚表层亚晶结构（或位错胞）的形成过程如下“剪切拉伸变形→位错增殖、塞积→位错缠结形成胞壁→位错胞吸收周边晶体缺陷形成亚结构→亚结构晶界迁移、吞并周边位错缺陷形成亚晶组织”。基于Zener-Hollomon（Z-H）和Hall-Petch（H-P）方程建立并修正了用于H13钢切削亚表层晶粒尺寸和显微硬度预测的模型,开发了基于该模型的用户自定义子程序（User-defined subroutine）,并进行了模拟仿真及模型验证。切削亚表层内部的晶粒尺寸介于300～800 nm之间,均小于1μm,同时显微硬度介于650～850 HV之间。切削亚表层的显微硬度随着切削速度、进给量和径向切削深度的变化趋势与再结晶晶粒尺寸的变化趋势恰好相反。借助TEM和EBSD技术以及纳米压痕仪对切削亚表层动态再结晶晶粒尺寸和显微硬度分别进行了定性和量化分析,验证了预测模型的有效性。基于自动球压痕法和连续损伤力学理论,研究了不同工艺参数下H13钢切削表面层材料宏观力学性能的变化规律。切削表面层的宏观力学性能不同于H13钢基体,表面层材料的屈服强度、最大抗拉强度、布氏硬度和断裂韧度总体上要小于基体对应的力学指标。不同工艺参数下,表面层材料的屈服强度、最大抗拉强度和布氏硬度随切削变量的变化趋势呈现一定的同步性;对于应变硬化指数,该力学指标的变化趋势与屈服强度、最大抗拉强度和硬度的变化规律正好相反。表面层材料力学性能的变化是硬态切削过程中强机械—热载荷耦合作用诱导显微组织演变的结果。本研究建立的显微组织预测模型、获得的实验数据和硬态切削优化参数可以为实现H13钢的高性能硬态切削提供理论依据和数据支持。

关键词：硬态切削;AISI H13钢;显微组织演变;多物理场;切削仿真;力学性能

学科专业：机械制造及其自动化

摘要

Abstract

主要符号与单位

第1章 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 硬态切削变形区显微组织及性能国内外研究现状

1.2.1 H13钢显微组织及力学性能

1.2.2 切屑显微组织演变及力学性能测试

1.2.3 切削亚表层显微组织表征及力学性能测试

1.2.4 切亚表层显微组织动态演变机理

1.2.5 切削变形区材料的相变仿真

1.2.6 切削亚表层材料的晶粒尺寸仿真

1.2.7 切削表面层材料的宏微力学性能

1.3 目前研究存在的问题

1.4 论文来源及研究目标

1.5 技术路线及研究内容

第2章 H13钢硬态切削实验及切削仿真模型

2.1 H13钢硬态切削实验

2.2 切屑形貌,切削力和切削温度

2.3 机械—热耦合条件下的切削仿真模型

2.3.1 三维模型的等效简化

2.3.2 切削仿真模型的建立

2.3.3 本构方程参数的选择

2.3.4 切削仿真模型验证

2.4 本章小结

第3章 基于相变动力学的H13钢硬态切削切屑显微组织动态演变仿真

3.1 显微组织表征和显微硬度测试

3.1.1 H13钢基体显微组织表征

3.1.2 H13钢基体和切屑显微硬度测试

3.2 切屑显微组织演变机理

3.3 切屑显微组织动态演变仿真

3.3.1 理论相变模型的构建

3.3.2 相变仿真模型的实现

3.3.3 切削相变仿真结果分析

3.3.4 切屑相变仿真模型实验验证

3.4 本章小结

第4章 H13钢硬态切削亚表层显微组织表征及晶粒细化机理

4.1 切削亚表层显微组织表征及力学性能测试

4.1.1 显微组织表征

4.1.2 微观力学性能测试

4.2 机械—热耦合载荷下材料塑性变形模型

4.3 切削参数对亚表层显微组织演变和亚表层厚度的影响

4.3.1 切削速度对显微组织演变和亚表层厚度的影响

4.3.2 进给量对显微组织演变和亚表层厚度的影响

4.3.3 径向切深对显微组织演变和亚表层厚度的影响

4.3.4 刃口钝圆半径对显微组织演变和亚表层厚度的影响

4.4 切削亚表层显微组织的EBSD分析

4.4.1 晶界

4.4.2 Schmid因子

4.4.3 反极图

4.5 切削亚表层纳米硬度

4.6 切削亚表层晶粒细化机理

4.7 本章小结

第5章 基于动态再结晶的H13钢硬态切削亚表层晶粒尺寸和显微硬度动态演变仿真

5.1 切削亚表层晶粒尺寸和显微硬度动态演变仿真

5.1.1 晶粒尺寸和显微硬度预测模型的构建

5.1.2 模型参数的确定和实现

5.2 仿真结果讨论

5.2.1 切削速度对晶粒尺寸和显微硬度的影响

5.2.2 进给对晶粒尺寸和显微硬度的影响

5.2.3 径向切削深度对晶粒尺寸和显微硬度的影响

5.3 仿真与实验结果对比

5.4 本章小结

第6章 切削表面层力学性能评定及硬态切削工艺优化

6.1 自动球压痕实验

6.1.1 实验条件

6.1.2 实验结果分析

6.2 基于自动球压痕法的表面层力学性能评定

6.2.1 屈服强度,应变硬化指数,抗拉强度和硬度计算

6.2.2 断裂韧度的计算

6.3 实验结果与讨论

6.3.1 切削速度对力学性能的影响

6.3.2 进给对力学性能的影响

6.3.3 径向切削深度对力学性能的影响

6.3.4 刃口钝圆半径对力学性能的影响

6.3.5 刀尖圆弧半径对力学性能的影响

6.3.6 工艺参数、亚表层厚度和力学性能之间的映射关系

6.4 基于切削亚表层厚度的硬态切削工艺参数优化

6.4.1 基于中心组合响应曲面法硬态切削实验设计

6.4.2 切削亚表层厚度预测模型

6.4.3 工艺参数对亚表层厚度的影响及最优工艺参数组合

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

参考文献

致谢