【正文】 材料的 Vicker 顯微硬度計(jì)算公式（見公式 ） : HV=P/F=?????????????????????（ ） HV維氏硬度值（即壓痕單位面積上所受的力）； 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 22 P靜載荷； F壓痕面積； d壓痕 正方形的對(duì)角線長(zhǎng)度； HXD1000TM/LCD 自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)設(shè)計(jì)成菜單式結(jié)構(gòu)，在不同頁(yè)面中，能顯示壓痕對(duì)角線 D1 和 D2，硬度標(biāo)尺 HV 或 HK，硬度值，試驗(yàn)力，保持時(shí)間，測(cè)量次數(shù)，維氏 洛氏轉(zhuǎn)換值，日期和時(shí)間，測(cè)量統(tǒng)計(jì)，以及加荷過程等。在系統(tǒng)設(shè)置菜單對(duì)日期和時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定。通過觸摸鍵還可以無級(jí)調(diào)節(jié)光源亮度，轉(zhuǎn)動(dòng)塔臺(tái)及控制加荷。儀器還具有對(duì)測(cè)量位置的斷電記憶功能和記時(shí)裝置。 操作步驟：打開電源，打開電腦軟件，將變換手輪調(diào)整為 100g，軟件上相應(yīng)參數(shù)改為加載重量 100g，加載時(shí)間 15 秒，物鏡倍數(shù) 40x。 將試樣放在十字試臺(tái)上，如果試樣不平，應(yīng)該把試樣放在橡皮泥上用壓平器壓平。緩慢旋動(dòng)升降旋輪，直到可以再電腦屏幕上看到清晰的像。點(diǎn)擊 start 按鈕，顯微硬度計(jì)會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓頭，并加載 15秒。等待物鏡轉(zhuǎn)回來后，可以看到清晰的壓痕，點(diǎn)擊軟件上的測(cè)量按鈕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度得出對(duì)應(yīng)的顯微硬度。本次試驗(yàn)要沿從熔覆層表面到基底的方向每隔 10 微米打一個(gè)點(diǎn)，得到一個(gè)硬度梯度曲線。 顯微硬度通過 HXD1000TM 顯微硬度計(jì)進(jìn)行橫截面的測(cè)量。單道涂層的開裂敏感性是通過維氏壓痕斷裂韌性來評(píng)估的。涂層截面上的維氏壓痕是通過 HV120 維氏硬度試驗(yàn)計(jì)以 10kg的加載來測(cè)量的。壓后立即用 VHX600K光學(xué)顯微鏡觀察和測(cè)量壓痕。圖 所示的是維氏壓痕周圍的裂紋示意圖。涂層斷裂韌性 KIC(MPa m1/2)的計(jì)算如下[15]： ) ()( 23 caaPK IC ? (1) 當(dāng) P 是壓痕載荷 (N)時(shí)， a 是壓痕對(duì)角線的一半長(zhǎng)度 (m)， c 是裂紋長(zhǎng)度和 a 的總和。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 23 圖 維氏硬度壓痕裂紋示意圖 7 結(jié)果與分析 激光重熔顯微組織金相分析 圖 （ a） 激光掃 描速度為 6mm/s、掃描功率為 1500W時(shí)的宏觀形貌 重熔區(qū)的深度為 ，熱影響區(qū)深度為 ，熔覆層半徑為 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 24 圖 （ b）重熔區(qū)示意圖 從圖 （ a）中可以看出：在經(jīng)激光重熔 工藝處理后 , 在形成了近似半圓形的重熔區(qū)。對(duì)試樣的金相觀察發(fā)現(xiàn) ,：在重熔區(qū)中根據(jù)金相組織的差異明顯地分兩部分，我們將這兩部分分別稱為熔池區(qū) ( 細(xì)晶區(qū) )和過渡區(qū) 。 圖 （ a）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 1500w時(shí)的宏觀形貌 100 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 25 圖 （ b）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2021w時(shí)的宏觀形貌 100 圖 （ c）激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w時(shí)的宏觀形貌 100 通過 對(duì)圖 （ a），圖 （ b）和圖 （ c）三張圖的觀察與比較，我們可以上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 26 發(fā)現(xiàn)，在 珠光體基地球墨鑄鐵的樣品中， 在 光斑直徑為 5mm，掃描速度為 6mm/s，離焦量 55mm，功率分別為 、 2KW 和 的情況下，功率越高，重熔層的深度越深。 圖 （ a） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w時(shí)重熔層組織形貌 1000 從圖 ( a) 中可觀察到熔池區(qū)中大量存在樹枝狀萊氏體組織 , 且組織生長(zhǎng)方向垂直于熔池區(qū)的曲面并指向試塊表面。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 27 圖 （ b） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w時(shí)過渡區(qū)組織形貌 1000 過渡區(qū)是位于熔池區(qū)和基體區(qū)之間的區(qū)域 , 其金相組織與熔池區(qū)有一定的差別 。從圖(b) 中可以觀察到過渡區(qū)中存在著滲碳體 、鐵素體、 萊氏體、牛眼狀石墨 、殘余奧氏體和球光體等組織。 不光是激光重熔對(duì)影響了熱影響的組織形貌，因?yàn)檫^渡區(qū)位于熔池區(qū)的最底部 , 因此熱影響區(qū)所獲得的能量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔池區(qū) , 這些能量使得熱影響去晶體的過冷度小于熔池區(qū)晶體的過冷度 , 這就造成了結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程中的不同變化。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 28 圖 （ c） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 1000w時(shí)的基底組織形貌 400 由于基體區(qū)并未受激光能束的影響 , 它的組織形貌是由澆鑄態(tài)通過自然冷卻形成的 , 因此其保持了鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵原有的金相組織。從圖 (c)中 ,我們可以看到在未基體區(qū)中存在著未溶解的石墨，鐵素體和大量的珠光體組織。 圖 8 合金熔池截面的等溫線分布 由于激光能量在熔池區(qū)放射最多 , 類似圖 8 中較大的冷卻速度Ⅲ。在結(jié)晶過程中 , 滲碳體首先從液體金屬中析出并不斷長(zhǎng)大 , 當(dāng)溫度降至球鐵的共晶溫度以下上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 29 時(shí) , 發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 , 這時(shí)奧氏體晶核出現(xiàn)在滲碳體晶粒鋸齒分枝之間 , 并生長(zhǎng)成樹枝狀晶粒 , 滲碳體又在奧氏體晶粒分枝之間生長(zhǎng)。如此 , 奧氏體形成一個(gè)個(gè)長(zhǎng)圓形的 “芯子” ,位于連續(xù)的滲碳體之中 , 構(gòu)成了萊氏 體組織 。 關(guān)于熔池區(qū)中萊氏體的生長(zhǎng) :晶粒的長(zhǎng)大趨勢(shì)決定于基材晶粒的優(yōu)先成長(zhǎng)方向和熔池散熱方向之間的關(guān)系 ?；木Я５膬?yōu)先生長(zhǎng)方向是由基體金屬的晶格類型所決定的 , 是基材本身的固有屬性 。在高能激光束作用下的動(dòng)態(tài)凝固中 , 熔池主要靠已結(jié)晶的晶粒固體散熱 。顯然垂直于熔池邊界方向上的溫度梯度 ? T/? X 最大 , 因而散熱最快 。晶粒的散熱條件越好 , 則生長(zhǎng)條件越有利。如圖 8 所示 , 合金熔池的邊界是橢球形的曲面 , 這個(gè)曲面就是結(jié)晶等溫面 。熔池的最大散熱方向必然垂直于結(jié)晶等溫面。因此 , 晶粒的生長(zhǎng)方向也應(yīng)垂直于結(jié)晶等溫面 , 形成沿散熱方向得到主要發(fā)展的樹枝狀晶粒 。 為了弄清熔池區(qū)和過渡區(qū)的金相組織的形成原因 , 我們可以從鑄鐵的結(jié)晶轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的角度 , 從理論上加以分析。圖 為過冷液態(tài)鑄鐵的等溫結(jié)晶轉(zhuǎn)變圖 。如圖所示 , 在不同的過冷度下進(jìn)行結(jié)晶時(shí) ,結(jié)晶的步驟、速度及最后形成的組織會(huì)發(fā)生變化。利用結(jié)晶轉(zhuǎn)變圖可以大致地、近似地判斷 連續(xù)冷卻時(shí)的結(jié)晶過程。如圖 中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，這 3 條線近似地代表 3 種不同的冷卻速度 ,這些線與轉(zhuǎn)變圖上各線的交點(diǎn)即可近似地反映某一相的開始析出或結(jié)晶終了。在較小的冷卻速度Ⅰ時(shí) ,凝固過程從析出初生奧氏體開始 , 然后殘余熔體按穩(wěn)定系進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變 , 最后的組織是“ A + G”。在某種中間的冷卻速度Ⅱ時(shí) , 繼析出初生奧氏體后，共晶轉(zhuǎn)變先按穩(wěn)定系進(jìn)行 , 析出石墨共晶體 , 但未等溶液轉(zhuǎn)變結(jié)束 ,溫度已下降到更低 ,最后的一部分殘余熔體在更大的過冷度下 , 按介穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變成滲碳體共晶體 , 故凝固完畢時(shí)是“ A + G + C” , 即麻口組織 。在較大的冷卻速度Ⅲ時(shí) , 繼初生奧氏體之后 , 殘余熔體的共晶轉(zhuǎn)變?cè)诟蟮倪^冷度下全部按介穩(wěn)定系進(jìn)行 , 凝固完畢時(shí)形成“ A+ G” ,即白口組織 。 表面激光處理的過程實(shí)質(zhì)上是重熔區(qū)中液態(tài)金屬結(jié)晶的過程。除基體區(qū)未受激光能束的影響而無變化外 , 由于熔池區(qū) 、 過渡區(qū)所得到的激光能量的不同造成各自過冷度不同 , 結(jié)果導(dǎo)致結(jié)晶過程的不同而引起金相組織上的差異。所以我們可以通過結(jié)晶轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)理論來解釋這一過程 [16]。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 30 圖 9過冷液態(tài)鑄鐵等溫結(jié)晶轉(zhuǎn)變圖 硬度分析 在不同的激光掃描速度功率下球墨鑄鐵硬度梯度，圖 （ a）為試樣在激光掃描速度為 6mm/s、掃描功率為 1000W 情況下的顯微硬度，圖 （ b）為試樣在激光掃描速度為 6mm/s、掃描功率為 2021W 情況下的顯微硬度。圖 （ c）為試樣在激光掃描速度為 6mm/s、掃描功率為 2500W 情況下的顯微硬度 .從圖中可以看出，試樣的重熔層的硬度大于試樣基體的硬度，隨著深度的不斷加深，試樣的硬度開始逐漸下降。試樣重熔層的硬度差距雖然不大，但激光掃描功率越大，重熔層硬度越大。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 31 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16002004006008001000Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ a） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 1000w時(shí)顯微硬度 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600020040060080010001200Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ b） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2021w時(shí)顯微硬度 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 32 2 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 140020040060080010001200Microhardness(HV0.1)D e p t h (μ m ) B 圖 10（ c） 激光掃描速度 6 mm/s、掃描功率為 2500w 時(shí)顯微硬度 功率 硬度 最大值 （ HV） 最小值 （ HV） 平均值 （ HV） 1000W 2021W 2500W 表 8 總結(jié) （ 1） 得到了以樹枝狀萊氏體組織為主的涂層 ,且組織生長(zhǎng)方向垂直于熔池區(qū)的曲面并指向試塊表面 , 過渡區(qū) 中存在著滲碳體、鐵素體 、萊氏體、 牛眼狀石墨、 殘余奧氏體和珠光體等組織 ,基本區(qū)組織與原鑄態(tài)組織相同 。 （ 2） 通過對(duì)相位硬度的分析，得知在經(jīng)過激光重熔后，涂層的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 33 而且在不同功率下，隨著功率的升高，涂層和熱影響去的硬度越高。 （ 3） 展望 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 球墨鑄鐵表面激光重熔工藝試驗(yàn) 34 參考文獻(xiàn) [1]郭鐵 QT6003 激怡暉 . 球墨鑄光相變硬化數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究 [D].湖南大學(xué) ,2021 [2]房貴如 ,王云昭 . 現(xiàn)代球墨鑄鐵 的誕生、應(yīng)用及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ──20 世紀(jì)材料科學(xué)最重大的技術(shù)進(jìn)展之一 [J]. 現(xiàn)代鑄鐵 ,2021,01:311.