【摘 要】
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45钢有良好的塑性、韧性和易切削等优点而应用广泛,45钢材料在实际的应用中,工作表面不仅有平面,还有柱状面、锥状面、球状面等不同形状的表面,受到表面形状和工作环境的影响表面通常会出现磨损、锈蚀及裂纹等缺陷。电子束表面强化技术对工件变形量小且能量利用率高,采用扫描电子束实现柱面45钢表面强化,提高其表面综合性能。本研究以传热学理论为基础,建立柱面45钢扫描电子束表面强化过程温度场的数理模型,利用有限
【基金项目】
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基于扫描电子束的新型抛光技术机理和数学建模研究,国家自然科学基金项目（51665009）2017.01.01-2020.12.31； 扫描电子束微熔抛光纳米结构形成机理及其形性调控机制的研究,国家自然科学基金项目（52165057）2022.01.01-2025.12.31；
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45钢有良好的塑性、韧性和易切削等优点而应用广泛,45钢材料在实际的应用中,工作表面不仅有平面,还有柱状面、锥状面、球状面等不同形状的表面,受到表面形状和工作环境的影响表面通常会出现磨损、锈蚀及裂纹等缺陷。电子束表面强化技术对工件变形量小且能量利用率高,采用扫描电子束实现柱面45钢表面强化,提高其表面综合性能。本研究以传热学理论为基础,建立柱面45钢扫描电子束表面强化过程温度场的数理模型,利用有限元模拟软件计算获得温度场分布规律。进一步通过电子束实验研究柱面45钢强化后显微组织和力学性能的分布规律;探讨了柱面的曲率、电子束束流、电子枪的移动速度和扫描环外径对表面显微组织与力学性能的影响,探究电子束的强化作用及机理。研究结果如下:（1）扫描电子束能使试样表面瞬间升温达到熔点,并实现二次加热。随着扫描环向前移动,圆柱表面温度快速升高随即快速冷却,温度峰值超过相变温度。电子束强化的初始阶段温度快速升高;中间阶段温度较稳定;收束阶段温度再次上升。（2）扫面电子束强化后工件截面可分为熔凝层、热影响区和基体三个区域。曲率1/20的显微硬度再深度方向呈先升高后降低趋势,最高硬度在深度约50μm处,值为688.26HV0.1;周向方的最高硬度在扫描环边缘位置,约868 HV0.1。（3）曲率1/25～1/10范围内,随着柱面曲率的增加,熔凝层的马氏体晶粒尺寸呈先减小后增大趋势;改性深度非线性增加,曲率为1/10时,改性深度最大,约814μm;磨损量随曲率的增加呈先减少后增加的趋势,曲率1/20的磨损量最低,约0.5mg;粗糙度随曲率的增加而非线性增加。（4）束流11m A～13m A范围内,随束流的增加,改性深度逐渐增加;马氏体晶粒逐渐变大;显微硬度先增加后减少;粗糙度先增加后减少;磨损量先增加后减少。束流12 m A时,显微硬度最高值为688.26 HV0.1,约为基体3.13倍,磨损量从2.7mg下降至0.5mg。（5）电子枪移动速度60mm/min～120mm/min内,随着速度的增加,改性深度减小;马氏体晶粒尺寸变小;显微硬度随速度的增加而非线性升高;粗糙度值先降低后升高,速度90mm/min时试样粗糙度从2.887μm降至1.047μm;磨损量先降低后升高。（6）在扫描直径8mm～10mm范围内,随直径的增加,改性深度逐渐减小,直径为8mm时,改性深度最深,约1268μm;马氏体晶粒随直径增大逐渐变细;显微硬度呈非线性减小趋势;粗糙度降低;磨损量先减少后增加。
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