基于有限元模拟的无缝钢管穿孔顶头失效分析及激光表面复合处理.pdfVIP

第49卷第9期热康莊Vol.49No.9

2024年9月TOFMETALSSeptember2024

HEATTREATMENT

数值模拟基于有限元模拟的无缝钢管穿孔顶头失效

分析及激光表面复合处理

母舰，吴和保?，张讯²，李小龙，何2,3

寅，李建军

435000;

430205；2.湖北黄石科创模具技术研究院，湖北黄石

（1.武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉

3.华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074)

摘要：采用有限元模拟方法对穿孔顶头进行了温度场、应力场和热-力耦合场分析，确定了顶头穿孔过程中的最大热应力、最大耦合

应力、表面最高温度、应力集中区域和疲劳裂纹类型，并对20Cr2Ni4钢进行激光熔覆+高温慢氧化复合处理，以提高顶头的力学性

能和抗高温性能。有限元模拟结果表明，顶头的热-力耦合应力为热拉应力与机械压应力的矢量和，耦合应力比热应力峰值回落约

5.7%。耦合应力的大小主要受热应力影响，变化趋势和分布则主要受机械应力的影响，顶头失效起源于热疲劳和机械疲劳共同作

用下的内表面裂纹源，并沿径向向外表面扩展形成疲劳裂纹。激光表面复合处理结果表明，20Cr2Ni4钢经激光熔覆+高温慢氧化

处理后，表面硬度可达494HV0.025,表面强化层与基体结合牢固,并且氧元素在基体中的含量更少，分布更均匀，可有效提高顶头

的使用周期。

关键词：穿孔顶头；失效分析；热-力耦合；有限元模拟；表面复合处理；激光熔覆

中图分类号：TG17文献标志码：A文章编号：0254-6051（2024）09-0284-06

D0I:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.09.048

Failureanalysisandlasersurfacecompositetreatmentofpiercingplug

forseamlesssteelpipebasedonFEMsimulation

MuJjan,WuHebao-2,ZhangXun,LiXiaolong,HeYin,LiJianjun?3

(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,WuhanInstituteofTechnology,WuhanHubei430205,China;

2.HuangshiKechuangMouldInstituteofTechnology,HuangshiHebei435000,China;

3.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanHubei430074,China)

Abstract:Finiteelementmethod(FEM)wasusedtoanalyz