随着工业进程的加快,制造业也在飞速的发展,这就对机器零件的服役寿命提出了更高的要求。而研究表明零件的失效往往都是从表面开始的,例如轴承、齿轮等零件长期处于服役状态下,表面磨损容易导致零件失效。这就需要对零件表面进行强化处理,提高零件的表面性能来满足服役要求。离子渗氮作为一种常用的表面强化技术,在保证零件内部强韧性的同时,能够提高表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳等性能,从而提高零件的服役寿命。离子渗氮具有变形小、成本低、容易实现局部渗氮等优点,从而得到了大量应用,并取得了长足的发展。随着离子渗氮技术的发展,生产工作者们迫切的需要通过有效的数学模型来预测渗氮的过程,从而制定合理的工艺参数,而不是通过经验来给出工艺参数。针对以上情况,本文做了以下研究。以调质处理状态的低合金钢42CrMo作为基体材料进行离子渗氮试验研究。选取3个温度参数(510℃C、540℃C、560℃C), 4个时间参数(1h、3h、5h、7h),分析了渗氮时间和渗氮温度对渗氮层的影响。研究表明,随着渗氮时间和渗氮温度的增加,渗氮层厚度和复合层厚度都增加。通过离子渗氮层的截面光学照片和SEM照片来标定复合层厚度,结果显示两种方法都能很好的说明复合层厚度变化与渗氮温度和渗氮时间的关系,而SEM照片标定更合理。XRD实验结果表明,温度的升高会使γ’相的相对含量逐渐增加,而ε-Fe2-3N相的相对含量逐渐减小;随着时间的增加ε相的相对含量逐渐增加,γ’相的相对含量减少。通过对渗氮层的分析表征实验收集数据,为渗氮模型的建立与验证做准备。本文根据实际情况,提出假设,建立了离子渗氮的扩散-反应模型,考虑氮原子的扩散行为的同时考虑了合金氮化物(如CrN等)的析出,计算了扩散层中总氮元素质量分数,固溶在α-Fe中的氮元素质量分数,基体中Cr元素的质量分数。在此基础上考虑只包含γ’相的复合层生成对扩散层氮质量分数的影响,计算了复合层+扩散层中总的氮质量分数,并与实测结果进行对比。建立了离子渗氮的变扩散系数模型,认为离子渗氮过程全部都是扩散过程,只是扩散系数是随着氮质量分数变化而变化的。首先,测量540℃-5H离子渗氮试样的截面显微硬度,将硬度与深度数据进行拟合,认为氮质量分数和硬度值呈线性关系,得到该工艺参数离子渗氮的氮质量分数。通过三次样条插值法将扩散系数与氮质量分数拟合,得到扩散系数与氮质量分数的关系函数。采用三层格式重新推导Crank-Nicolson差分方程,通过差分方程可计算出之后任意时刻的氮浓度,同时可以反推出硬度值。对比计算值和测量值,发现两者能够很好的匹配。