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《武汉理工大学》 2003年
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材料的渗碳层特性及其涡流测试系统的研究

程晓敏  
【摘要】: 渗碳是机械制造业中应用最广泛的一种化学热处理工艺。材料经渗碳处理后可获得较高的表面硬度、接触疲劳强度而心部仍保持良好的冲击韧性。渗碳层深度是衡量渗碳质量的主要技术指标之一,传统的渗碳层深度检测方法是对大批产品采取抽样检查,不仅检测效率低,可靠性差,而且检测时需破坏样品。因此,实现对渗碳材料100%的无损检测,一直是人们努力追求的目标。本文运用数值模拟、涡流检测和有限元分析等方法对材料的渗碳层特性及其无损检测问题进行了系统研究,为渗碳层深度的涡流检测及材料表面改性质量的无损评价提供了重要的理论依据。 论文选择了3种典型的常用合金渗碳材料20Cr、20CrMnTi和18Cr2Ni4WA作为研究对象,通过大量的渗碳工艺试验及剥层化学分析,建立了在不同渗碳条件下材料渗碳层中碳浓度的分布模型。结果表明,渗层碳浓度分布主要由渗碳时间和炉气碳势决定;渗碳时间越长,碳浓度分布曲线越平缓;炉气碳势越高,表面碳浓度越大,碳浓度分布曲线越陡。论文通过对渗碳工艺的回归分析,建立了渗碳层深度和表面碳浓度与时间和碳势的关系,该关系可作为渗碳层深度和表面碳浓度的综合控制模型,能够用于工艺参数的优化设计和渗碳过程的自动控制。 论文通过非线形回归分析,建立了渗碳层深度和碳浓度分布关系的数学模型。分析了渗碳材料电磁性能的影响因素,结果表明,渗碳层中电导率和磁导率的分布情况可以归结为受碳浓度的控制。结合渗碳材料的碳浓度和组织状态对电导率和磁导率的影响规律,建立了渗碳材料电导率和磁导率与碳浓度的关系模型,利用该模型及渗碳层深度和碳浓度分布关系的数学模型,建立了渗碳层深度与渗层电磁性能的关系,为实现对渗碳层深度的无损检测提供了可靠的理论与实验基础。 论文中建立了轴对称涡流检测的电磁场模型,即绕制两个穿过式双线圈作为检测线圈,其中一个为激励线圈,另一个为测量线圈,圆柱状渗碳材料置入线圈中。对于无明显分界面而具有连续硬化层的渗碳材料,通过把渗碳层离散化为足够多的小区域,模拟其电磁特性在空间连续分布的情形,然后采用有限元法进行求解。论文以通用有限元分析软件ANSYS作为二次开发平台,开发了面向渗碳材料的涡流测试系统。该系统搭建了渗碳材料电磁性 武汉理工大学博士学位论文 能库平台,可以添加新的材料性能数据,进行不同类型材料渗碳的涡流检测。 渗碳材料涡流测试系统将有限元前处理、涡流电磁场计算、后续数据处理及 计算结果的可视化处理结合起来,提供了良好的用户界面。 论文中把电磁参量的计算结果以彩色云图方式显示出来,可以直观地或 半定量地分析渗碳层特性对涡流电磁场的影响规律。当材料渗碳层深度增加 时,电磁场的渗透深度也随之加大。计算结果表明,渗碳材料的渗层深度与 测量线圈感应电压之间存在对应关系;渗层深度增加时,测量线圈感应电压 呈单调下降趋势。根据这种对应关系;可以通过线圈的实测感应电压来反求 渗层深度。根据实际检测电压所求渗层深度的计算值与实际值符合得较好, 相对误差在10%左右,能够满足实际生产要求。这说明基于一定模型开发的 涡流测试系统,可以较为真实地模拟涡流检测渗碳材料的情况。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TG156.8

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【引证文献】
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