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仿生學(xué)激光重熔處理熱作模具鋼的熱疲勞性能與顯微組織

在億萬(wàn)年的自然選擇與進(jìn)化過(guò)程中，生物學(xué)結(jié)構(gòu)取得巨大進(jìn)步以適應(yīng)環(huán)境，具有不同的非光滑表面形態(tài)。鑒于非光滑表面所具有的優(yōu)良性能，許多研究者在考察了生物體的非光滑表面后，設(shè)計(jì)了具有非光滑表面的機(jī)械零件，并發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于光滑表面的機(jī)械零件。本研究利用激光在熱作模具鋼上形成模擬動(dòng)物表皮的非光滑表面。熱作模具鋼的熱疲勞是其失效的主要原因之一，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，熱作模具鋼有不同的牌號(hào)。因此，考察并提高不同熱作模具鋼的熱疲勞性能，以及確定具有非光滑表面的不同熱作模具鋼熱疲勞性能提高程度很重要。

選擇了H13、HD、HHD這3種熱作模具鋼。采用固體Nd-YAG激光器，最大功率300W，在試樣表面形成仿生非光滑表面。熱疲勞試驗(yàn)在自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加熱75s，最高溫度700℃；水冷4s，最低溫度25℃。在試驗(yàn)過(guò)程中試樣不承受載荷，每隔400個(gè)循環(huán)用光學(xué)顯微鏡觀察熱疲勞裂紋的擴(kuò)展情況。

試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）經(jīng)過(guò)仿生學(xué)激光重熔處理的熱作模具鋼有利于抑制其熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，其中HHD效果最好，H13次之；

（2）由于各牌號(hào)鋼種的熱傳導(dǎo)率和化學(xué)元素含量不同，仿生非光滑單元的過(guò)渡區(qū)寬度也不同，HD最寬，HHD最窄；

（3）仿生非光滑單元的熱循環(huán)軟化抗力排序?yàn)镠HD＞H13＞HD，在熱疲勞試驗(yàn)之后，非光滑單元和未處理試樣的顯微組織都變成粗晶粒，出現(xiàn)相當(dāng)多的粗大碳化物。

刊名：Materials Science and Technology（英）

刊期：2013年第4期

作者：C.Meng et al

編譯：張英才