22CrMo钢渗碳淬火过程组织与应力变化的数值模拟
淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究
淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究近年来，材料领域的发展日新月异，为了提高材料的力学性能和耐磨性，淬火是一种常用的热处理方法。
淬火过程中，材料的微观组织发生了显著变化，直接影响材料的性能。
然而，由于淬火过程复杂且难以直接观测，数值模拟成为研究材料淬火过程中微观组织演变的重要手段。
淬火过程中材料的微观组织演变涉及多个因素，包括温度变化、相变行为、位错运动等。
通过数值模拟可以模拟这些因素的相互作用，预测淬火过程中材料的组织演变行为。
首先，温度变化是淬火过程中最重要的因素之一。
当材料被快速加热至高温后，温度会突然下降。
他发的过程中，高温下的晶格结构发生剧烈变化，产生大量位错和界面。
数值模拟可以通过模拟材料的热传导和相变行为，预测淬火过程中温度变化对材料微观组织的影响。
其次，相变行为是淬火过程中的关键因素之一。
在淬火过程中，材料经历了相变，从高温下的奥氏体结构转变为低温下的马氏体结构。
通过数值模拟，可以模拟材料的相变动力学行为，预测不同温度、冷却速率下材料相变的规律。
这有助于优化淬火工艺参数，改善材料的性能。
最后，位错运动是淬火过程中的另一个重要因素。
位错是材料中的晶格缺陷，能够影响材料的塑性变形和力学性能。
淬火过程中，快速冷却会导致位错的累积和运动，进而影响材料的微观组织和力学性能。
数值模拟可以模拟位错的生成和运动，并预测淬火过程中材料中位错的分布和密度变化。
通过数值模拟材料淬火过程中的微观组织演变，可以不仅预测材料的力学性能，还可以为淬火工艺的优化提供指导。
此外，数值模拟还可以减少试验成本和时间，提高研发效率。
因此，淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究具有重要的理论和实际意义。
在数值模拟研究中，研究者通常采用离散模型和连续模型两种方法。
离散模型基于原子尺度的模拟，将材料中的原子作为基本单元，考虑原子间的相互作用力。
通过分子动力学方法，可以模拟材料的位错运动和相变行为。
然而，由于离散模型的计算复杂度较高，只能模拟相对小尺度的材料。
用数值模拟方法研究气体渗碳强渗期与扩散期的合理选择_阮冬
组织与性能 用数值模拟方法研究气体渗碳强渗期与扩散期的合理选择 上海交通大学材料科学与工程学院(上海200030) 阮 冬 潘健生 张伟民 胡明娟【摘要】 利用气体渗碳的物质传递数学模型和气体渗碳CAD软件进行了两段渗碳工艺的数值模拟计算,对两段渗碳工艺强渗期和扩散期选择的自适应原则提出了疑问,证明了其不合理性。
发现S1与S2之比是随着渗碳工艺条件和渗层深度而变化的。
最终碳浓度分布曲线上碳平台的长度与渗层深度有关,可以此为判据,计算由强渗期转入扩散期的最佳时间,制定两段渗碳工艺,得到满意的渗碳层浓度分布。
相应的试验证明了其合理性。
关键词:两段渗碳 强渗期 扩散期R esearch of R easonable Selection of C arburizing Stage and Diff usionStage During G as C arburizing Process by Using Numerical SimulationRuan Dong,Pan Jiansheng,Zhang Weimin,Hu Mingjuan(School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030)【Abstract】 The two2stage carburizing technology has been simulated by using the mathematical model and CAD software of mass transfer for gas carburizing.The self2adaptation principle which has been employed in the selection of carburizing stage and diffusion stage during a two2stage carburizing process has been suspected and it’s unreasonability has been approved.It has been found out that the ratio of S1to S2changes with the process conditions and the depth of carburizing layer.There is a relationship between the platform on the final carbon profile and the depth of carburizing layer,according to that the best time to transfer from carburizing period to diffu2 sion period can be calculated and the two2stage carburizing process can be determined to get the satisfied carbon profile.Relevant experi2 ments have been done to approv it′s reasonability.K ey w ords:two2stage carburizing,carburizing stage,diffusion stage1 前言从冶金学观点来看,渗碳件中的碳浓度呈现在表面层具有碳平台的“S”形分布是比较好的,可以避免渗碳件因渗层中过陡的浓度梯度而造成的早期失效。
热处理过程中应力场变化的数值模拟分析
热处理过程中应力场变化的数值模拟分析在热处理工艺中，应力场的变化对于材料的性能和可靠性具有重要影响。
因此，通过数值模拟分析热处理过程中应力场的变化，可以帮助工程师更好地理解材料的力学行为和优化工艺参数。
本文将对热处理过程中应力场变化的数值模拟分析进行详细探讨。
首先，我们需要了解热处理过程中应力的产生机理。
热处理是通过对材料升温至临界温度，然后进行保温和冷却，改变其晶体结构和力学性能的方法。
由于温度的变化会导致材料的体积变化，从而产生应力。
应力可以分为两种，一种是热应力，由于温度梯度引起的；另一种是相变应力，由于凝固和析出反应引起的。
数值模拟分析是研究热处理过程中应力场变化的重要方法之一。
主要通过计算机建模和有限元分析，对材料内部温度和应变进行数值计算，从而获得应力场的分布。
下面，我们将从模拟建模、边界条件和结果分析等方面进行详细阐述。
首先是模拟建模。
在进行数值模拟前，我们需要对待模拟的材料进行准确的几何形状和材料参数的建模。
传统的建模方法有三种，分别是二维轴对称模型、二维平面模型和三维实体模型。
根据具体工艺要求和材料特性，选择合适的建模方法。
对于复杂的热处理过程，三维实体模型可以更准确地反映材料内部的应力和应变变化。
其次是边界条件。
边界条件的设置直接影响数值模拟的准确性和可靠性。
在热处理过程中，一般会涉及到传热和传质的边界条件。
传热边界条件可以分为对流边界和辐射边界两种。
对流边界一般根据材料和环境之间的传热系数和温度差设置；辐射边界一般根据材料的发射率和温度来确定。
传质边界条件主要涉及材料表面的冷却速率和冷却剂的介质性质。
合理设置边界条件可以更准确地模拟材料内部的温度变化，从而得到更准确的应力场分布。
最后是结果分析。
通过数值模拟得到的结果，我们可以对热处理过程中应力场的变化进行分析和评估。
一般可从以下几个方面进行结果分析。
首先，可以通过计算不同位置和时间的应力场分布，分析材料内部的应力集中区域和变化趋势。
渗碳数值模拟
以碳浓度0.38%为界，低于此浓度区域为低浓度区，高于此浓度区域为高浓度区，而碳浓度等于0.38%的深度称为渗碳深度，以 表示。下面研究渗碳一定时间后其渗碳深度与温度的关系。
令
得
其中
又
得
下图绘出了等离子渗碳12h后其渗碳深度与加热温度的关系曲线:
观察该曲线可知，当温度低于600℃时，其渗碳深度几乎为零，而当温度高于600℃并继续上升时其渗碳深度急剧增大。这再一次表明等离子渗碳必须在较高温度下进行。
渗碳模拟报告
摘要
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性的一种金属表面处理方法。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
1.1
基本假设：i.一维问题ii.表面扩散
扩散方程：
初始条件：
边界条件：
1.2
为了便于求解，假定扩散系数与浓度无关，仅是温度的函数，则温度不变情况下扩散方程改写如下：
其中，
解得等离子渗碳20#钢表面碳浓度表达式如下：
1.3
20#钢渗碳扩散系数公式如下：
绘出其与温度的关系曲线如下：
观察该曲线可知，当温度低于600℃时其扩散系数几乎为零，而温度超过600℃并继续上升时其扩散系数呈指数型增长。这表明20#钢渗碳应在至少800℃的高温下才能进行。
22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺
工程硕士学位论文22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺研究及其应用STUDY ON PREHEAT-TREATMENT AND CARBURIZING PROCESSES OF 22CrMoH STEEL AND ITS APPLYCATION管金玲2012年3月国内图书分类号：TG142.1国际图书分类号：620工程硕士学位论文22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺研究及其应用硕士研究生：管金玲导师：闫牧夫教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：哈尔滨一汽变速箱股份有限公司答辩日期：2012年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TG142.1U.D.C.: 620Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTUDY ON PREHEAT-TREATMENT AND CARBURIZING PROCESSES OF 22CrMoH STEELAND ITS APPLYCATIONCandidate：Guan jinlingSupervisor：Prof.Yan MufuAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials ScienceAffiliation：Harbin Faw Gear Box Co.,Ltd Date of Defence：March, 2012Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要本文研究了主要用于后桥主从动圆锥齿轮的22CrMoH材料的热处理工艺，包括预先热处理和最终热处理两部分。
预先热处理采用等温正火，研究了奥氏体化温度和等温温度对组织和性能的影响；还研究了渗碳热处理时不同工艺参数对渗碳层显微组织和硬度的影响，优化了热处理工艺参数，并通过变性试验，磨削试验和疲劳寿命试验，验证优化的工艺参数的可靠性。
不同淬火方式对渗碳钢表面残余应力及组织的影响
不同淬火方式对渗碳钢表面残余应力及组织的影响发布时间：2023-03-21T01:30:13.684Z 来源：《中国科技信息》2022年21期作者：李海宏1 张宇慧1周锴1 宋玉生2 [导读] 采用X射线衍射分析仪李海宏1 张宇慧1周锴1 宋玉生2中国航发哈尔滨东安发动机有限公司1 ，黑龙江哈尔滨 150066 哈尔滨东安实业发展有限公司2，黑龙江哈尔滨 150066摘要：采用X射线衍射分析仪，对进口和国产9310钢渗碳后在不同温度介质中淬火后的渗层残余应力、显微硬度以及组织进行分析。
结果表明渗碳层残余应力均表现为压应力形式，近渗碳表面处残余应力较大且随着渗层深度增加，压应力值先增加后逐渐减小。
关键词：X射线残余应力 9310钢渗碳疲劳寿命1 前言1.1 研究背景9310 钢属于低合金高强度渗碳钢，具有渗碳温度高，渗碳层淬硬性好，淬火后表面硬度高等优点。
对9310钢进行渗碳热处理可使该钢获得硬度高、耐磨性好的表面，同时又保持芯部具有较高的韧性，从而提高齿轮的承载能力和齿面的抗擦伤与咬接性能。
因此，9310钢成为国内外主流飞机普遍采用的渗碳钢，已广泛应用于制造航空发动机关键齿轮、齿轮轴和主旋翼轴等。
在航空齿轮产品中，9310钢是选用较多的成熟齿轮钢，该钢多用在齿轮及轴类零件上，热处理工艺多为渗碳处理。
渗碳处理是把低碳钢或低碳合金钢制件置于渗碳介质中，加热到奥氏体状态并保温，使碳元素渗入制件表层的热处理工艺。
渗碳后再经淬火和低温回火处理，使制件表面具有高碳钢的特性，其表层的硬度、强度，特别是耐磨性和抗疲劳强度明显提高，而心部则仍保持低碳钢或临界区淬火强度和良好的韧性。
目前，常用的渗碳方法有气体渗碳、真空渗碳、固体渗碳和等离子渗碳。
气体渗碳是渗剂通入到炉内产生分解的碳原子被工件吸附、扩散的过程，该过程是通过气氛与工件之间近于平衡的水煤气反应而实现的[1]。
凌国平[2]等人采用快速气体渗碳工艺对12CrNi3A进行了渗碳处理，研究发现与传统气体渗碳工艺相比，工件的硬度降低、形变减小。
大型锻件淬火组织场数值模拟
大 型锻件 的热 处理 过程 比较 复 杂 。加 热 和冷
的温 度 一 间 曲线 和相 变 类 型 选定 组 织 转 变 数学 时 模 型进 行计 算 … 。淬 火 过 程 的 组 织 转 变 主 要 涉
及 扩散 型相 变 （ 光体 ＋ 素体 、 氏体转 变 ） 珠 铁 贝 和 非 扩散 型相 变 （ 氏体转 变 ） 马 。
对于 马 氏体 这 种 非扩 散 型转 变 ， 变 量 仅决 转 定于 温度 ， 而与 时 间无 关 ， 可采用 Ｋ 方 程计 算 转 Ｍ 变量 ， 表达 式为 ：
选取 ４个 特 殊冷速 制 备试样 进行 金相 观察 。并 结 合 工程 应 用 ， 算 （ １５ｉ 型 锻 件 的 淬火 温 度 计 ２ ． ｊ ｎ大 分 布及 沿截 面 的组 织 分布 。
力 很强 。但 Ａ Ｓ Ｓ没有 相变 和组 织场 演 化模 块 ， ＮＹ 使 其在 处理 材料 热处 理 问题 上 有一定 的局 限性 。 本 文运 用 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ语 言 对 Ａ Ｓ Ｓ进 行 二 次 开 ＮＹ 发， 计算 一种 贝氏体 钢在 不 同冷 速 下 的组 织 ， 同时
对 于扩散 型 相 变 ， 常 采 用 Ｊ Ａ 通 Ｍ Ｋ方 程 来 描
ｍ ×１ 的试 样 ， 淬火 相变仪 上按 固定冷 速 ｍ ０ｍｍ 在 １ ／ ｉ 、ｏ ／ ｉ 、０Ｃ ｍｉ、０ ｃ ／ ｉ 却 ， ｍ ｎ ５Ｃ ｍ ｎ ２ ｏ／ ｎ ３ ０ｃ ｍ ｎ冷 ｏ Ｃ 观 察 不 同冷速 下 得 到 的金 相 组 织 Ｊ 。金 相 图 片 见 图３ 。可 以看 出 ４个典 型 冷速 的模 拟计 算 结果 与 实验 观测结 果吻合 的 比较好 。 ３ 工程计 算实例 本 文在 上述 计算 的基 础 上 ， 一 步模 拟计 算 进 直径 为 １５ ｍ， 度 为 ２ｍ 的大 型锻 件 ， ８ ０ ． 长 在 ９ ％
22CrMoH钢齿轮渗碳淬火回火后组织粗大的工艺改进
投产。
参考文献
［1］李莹.某汽车车轮半轴断裂失效分析［J］.失效分析
与预防，2007（2）：
42-44．
No.1
January，
2019
［2］孙鸿平.加热工艺与冷却制度对 22CrMoH 带状组
织的影响研究［J］.冶金与材料，
2018（5）：18-20.
保证齿轮产品质量。
关键词：22CrMoH 钢；齿轮；工艺改进
中图分类号：
TG161
文献标识码：A
0
引言
22CrMoH 钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后的
金相组织出现异常现象。经 4%硝酸酒精腐蚀后，有
许多目视可见的粗亮黑点，黑点处齿轮组织晶粒非常
粗大，大大降低了 22CrMoH 钢齿轮的接触疲劳和弯
少量黑色区域的金相组织
作者简介：左彪（1969—），
男，
江苏泰州人，
工程师，
大专；
研究方向：
材料热处理，
理化分析，
产品失效分析。
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第1期
2019 年 1 月
（a）中量黑色区域
江苏科技信息 · 应用技术
protection performance, with the simple structure and high load regulation, which has better application value.
Key words: switching power supply; over-current protection circuit; protection performance efficiency
热冲压成形钢22MnB5动态CCT曲线及组织转变
参考文献 [1] 马鸣图，张宜生，宋磊峰，等. 超高强度钢热冲压成形研究进展
(下). 新材料产业，2015(9)：65 [2] 马鸣图. 先进汽车用钢. 北京：化学工业出版社，2008 [3] 衣海龙，薛鹏，崔荣新，等. X80管线钢连续冷却过程中的相变
研究. 轧钢，2008，25(2)：10
实验结果与分析
图3为22MnB5钢在不同冷却速度下的显微组
图2 试样的热处理工艺过程
织。从图中可以看到，当冷却速度为0.5℃·s–1时，显 微组织由铁素体、贝氏体和珠光体组成；当冷却速 度为1℃·s–1时，贝氏体的量有所增加，铁素体和珠 光体的量有所减少，且出现了少量的马氏体组织； 当冷却速度为2℃·s–1和5℃·s–1时，开始出现马氏体组 织，转变后的显微组织以马氏体、贝氏体和少量铁 素体为主；当冷却速度≥10℃·s–1时，22MnB5钢的显 微组织转变为马氏体和贝氏体。
图4 22MnB5钢奥氏体连续冷却转变曲线
线可以看出，22MnB5钢奥氏体在以不同的冷却速度 连续冷却过程中，有铁素体析出(A→F)、珠光体转变 (A→P)，贝氏体转变(A→B)和马氏体转变(A→M)。 随着冷却速度的增大铁素体的析出量以及珠光体的转 变量都迅速减少，马氏体的转变量则越来越多。
结束语
实验材料与方法
实验用钢为热轧态22MnB5钢的中间坯，厚度为 45 mm，其化学成分如表1所示，将22MnB5钢加工 成哑铃试样，在Gleeble-1500热模拟试验机上进行测 试，如图1所示。
作者单位：1. 本钢板材股份有限公司销售中心，辽宁 本溪 117000；2. 本钢板材股份有限公司技术研究院，辽宁 本溪 117000
容 能和产品的最终使用性能有着极其重要的影响。为了在控轧控冷后获得稳定的组织和性能，并为热轧
大型内齿圈渗碳淬火过程有限元模拟及后续工艺分析
大型齿圈在行星机构中应用广泛 ， 由于其 体积较大 ， 且属于薄壁结 构 ，齿部强度要求较 高 ，这给加工工艺 和热处 理工艺带来相 当大 的难 度。热处理过程中 ， 碳是热处理过程很普遍 而且很重要的一部分 ， 渗 齿 部的接触强度和抗 弯强度的提高很大程度 取决 于渗碳过程的效果 。渗 碳淬火齿圈的变形 明显 ， 后续的磨削工艺 的加 工余 量受其影响很大 ， 磨 削过深又削弱了渗碳层 最佳的力学性能 ，对热 处理过程和机加工过程 准确 的把握是齿圈制造厂家 面临 的难题＿ Ｉ Ｉ 。 有限元数值模拟技术 发展到现今这个 高度 ，完全可以对金属零件 的热处 理做一定范 围内的模拟 ， 通过建立热处理过程 的传 热传质 、 组织 转变 和热力学 的物理冶金模 型 ，能够预测工件在热处 理过程不同时刻 的温度场 、 金相组织和力学性 能的分布状态 ， 从而 为生产 提供 更准确的 信息 。本文采用一台风力发电机组齿轮箱内的大型内齿圈为分析 目标 ， 对其 在热处理 的过程进行数 值模 拟 ，根据模拟 的结果 对后续的加工提 供参考 。
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图 ４马氏体的体积分数
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图 Ｉ单齿 的有 限元 网格模 型 对热处理 渗碳 工艺的描 述 ： 在渗碳加热前 ， 低碳 钢的原始相结构是 由铁素体 和少 量珠光体组成 ， 索体量约 占整个体积 的 ８ ％， 铁 ０ 珠光体 占 ２ ％。 ０ 由铁碳合金相图可知 ， 当加 热至 以上温度时 ， 珠光体开始转变 为奥氏体 ， 当加热到 ９ ０Ｃ ， ０ ￣时 铁索 体全部转变 为奥氏体 。然后 加热到 ９ ０ ９ ０ 渗碳 ， ２ ～ ４￣ Ｃ 采用 气体渗碳 ， 渗碳之前 有个 ７ ０Ｃ １ 时左右 ） ０ ｏ（ 小 的 排气过程 。渗碳大体分 为强渗 和扩渗两个阶段 ， 时间在 ｌ 个 小时左 总 ２ 右 ， 件表面奥氏体区碳浓度在 Ｏ８～１ ％之间 （ 细工艺时 间温度 如 零 ． ． ２ 详
《开闭口圆环渗碳淬火残余应力与变形分析》
《开闭口圆环渗碳淬火残余应力与变形分析》篇一一、引言随着制造业的不断发展，对金属材料的加工精度和性能要求越来越高。
在金属材料加工过程中，渗碳淬火是一种重要的热处理工艺，能够显著提高金属材料的硬度和耐磨性。
然而，在渗碳淬火过程中，由于温度场的不均匀性和相变应力的产生，往往会导致工件内部产生残余应力和变形。
对于开闭口圆环这类特殊形状的工件，其渗碳淬火过程中的残余应力与变形问题更为突出。
因此，对开闭口圆环渗碳淬火过程中的残余应力与变形进行分析，对于提高工件的加工精度和性能具有重要意义。
二、开闭口圆环渗碳淬火过程分析开闭口圆环渗碳淬火过程主要包括渗碳处理和淬火处理两个阶段。
在渗碳处理阶段，工件被加热至高温，碳原子通过扩散进入工件表面，从而提高工件的表面碳含量。
在淬火处理阶段，工件迅速冷却，使得碳原子在工件内部形成碳化物，从而提高工件的硬度和耐磨性。
三、残余应力产生机制在渗碳淬火过程中，由于温度场的不均匀性和相变应力的产生，工件内部会产生残余应力。
对于开闭口圆环这类特殊形状的工件，由于截面形状的不规则性，导致工件在加热和冷却过程中产生不均匀的热膨胀和收缩，进而产生残余应力。
此外，淬火过程中的相变也会产生相变应力，进一步加剧了残余应力的产生。
四、残余应力与变形关系残余应力与工件的变形密切相关。
当工件内部产生的残余应力超过材料的屈服极限时，工件将发生变形。
对于开闭口圆环这类特殊形状的工件，由于其截面形状的不规则性，导致工件在残余应力的作用下更容易发生变形。
此外，变形的程度还与工件的约束条件、材料性能等因素有关。
五、残余应力与变形的分析方法为了分析开闭口圆环渗碳淬火过程中的残余应力与变形，可以采用以下方法：1. 数值模拟：通过有限元等方法对渗碳淬火过程进行数值模拟，分析工件内部的温度场、应力场和变形情况。
2. 实验测试：通过实验测试获得工件内部的残余应力分布和变形情况，如X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等可用于测试残余应力；光学测量、机械测量等方法可用于测试变形情况。
外文翻译—通过数值模拟的试验方法对SCr420钢渗碳淬火后微观结构和力学性能进行评价
外文出处： MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY Volume 20 Suppl.1:41-44, 2004前言：先前的工作表明,渗碳淬火过程往往伴随着机械零件表层的脱碳。
基于“金属热力学”的数值模型被用来模拟渗碳淬火态SCr420钢渗碳层的微观结构和残余应力。
为了验证以上模型和实验方法，XRD、彩色金相、显微硬度压痕和EMPA 等也用于相关参数的分析。
发现渗碳淬火态的SCr420钢的脱碳在数值模拟结果与实验结果中略有不同。
根据结果, 讨论降低数值模拟方法的准确性的因素。
关键词:脱碳;显微组织;力学性能1.引言渗碳淬火的一个主要优点是使钢件表面具有高硬度和残余压缩应力，例如：齿轮、轴和其他高度强调机器零件。
然而，渗碳零件的表层脱碳会降低零件的性能。
因此，解决渗碳淬火过程热力学性能的变化是十分重要的。
过去，为了测量微观结构、形变和残余应力在整个材料过程中的作,Inoue提出一种叫做金属热力学性能的理论。
基于这个理论，用数值模拟冶金过程，可以用于实际需求的新材料的优化设计过程。
许多研究结果都证明其在冶金过程中有效性,如热处理、连铸、热喷涂。
在这项研究中,数值模拟方法用于推测SCr420钢渗碳层马氏体和残余应力的深度分布。
为了验证数值模拟的方法在渗碳淬火和表面的脱碳过程中的有效性，XRD、彩色金相、显微硬度压痕和EMPA的实验方法,也用于相关参数的分析。
根据这些结果,提出提高数值模拟的准确性的方法。
2.理论模型在渗碳淬火过程中，金属结构、应力/应变以及温度之间相互影响。
因此，有必要考虑数值模拟过程中金属结构、应力/应变以及温度之间的耦合效应。
一般认为这种耦合效应基于“金属热力学”的连续热力学理论。
在这里，概括为以下的基本方程。
2.1.热传导方程当进行热处理工艺的质点被认为是多相组成结构时,一个假设是材料的参数X(T ，C)取决于混合定律：I N I C T x x I ξ∑==1),( ; a n d∑==N I I 11ξ(1) I-th 决定了用体积分数和材料参数，他们分别用ξ1和X I (T,C)表示。
淬火钢回火时间效应的数值模拟
2 分析讨论
2.1 回火方程及曲线形状 钢种不同， 其回火过程的激活能不相等 [2] ，反映在回火时抗力也不一样。钢中各合 金元素不仅影响加热时奥氏体化进程和状 态，还直接影响淬火组织的稳定性，因此回 火转变的动力学也将发生改变， 所以不同钢 种不可能具有相同的回火时间效应曲线。 按淬火钢回火硬度与回火时间的关系 可分为直线型、抛物线型、幂函数型及混合 型[7,8]，文献[6,9]研究后发现，淬火钢在同一 回火温度下其回火硬度与回火时间的对数 呈线性关系，如图 2 中所示，即具有 H=a+blogτ(a、b 为与钢种有关的常数)的形 式，这一结论现在可以证明如下：
(14)
2
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T8Mn： H1=24+44.25exp{-1.812 (15)
× 10 −9 (T − 273) 3.259 }
线转化为主回火曲线是当前合金钢行业必 须要解决的问题。 本文利用状态函数的特点， 通过对回火 参数 P、温度 T 和时间τ之间关系的解析和 转换， 建立了淬火钢在给定温度条件下回火 硬度与时间之间关系的数学解析式， 在此基 础上对 42CrMo 和 T8Mn 钢回火时间效应进行 了数值模拟。 1 数学模型 1.1 数学模型的推导 淬火钢的回火硬度 H 是回火温度 T 和回 火时间τ的函数，亦是回火参数 P 的函数： H=F(T,τ) (1) 或 H=f(P) (2) [1] 根据 Hollmon 提出的回火参数 P 定义，
dH lg τ H = H 1 + T 1 ln1 + ，where C dT
H11热作模具钢水淬的有限元模拟和验证
櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡～试验研究～櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡收稿日期：２０２０ １０ １５作者简介：张宇航（１９９６—），男，河北秦皇岛人，在读研究生，研究方向为模具钢和高强钢的性能优化。
联系电话：１５２７９１１２１５９通信作者：吴日铭，研究方向为模具钢、高强钢的性能优化。
Ｅ ｍａｉｌ：ｗｕｒｉｍｉｎｇ＠ｔ．ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎＨ１１热作模具钢水淬的有限元模拟和验证张宇航，吴日铭（上海工程技术大学材料工程学院，上海２０１６２０）摘 要：为准确预测厚大Ｈ１１钢工件水淬过程中表面和心部的温度变化，检测了尺寸为４００ｍｍ×３４０ｍｍ×３００ｍｍ的Ｈ１１钢试件在水淬过程中，心部、离表面１０ｍｍ深度处和离中心６６ｍｍ和１３３ｍｍ处的实时温度。
建立了试件的热处理数学模型，模拟分析了试件在水淬过程中的温度场、应力场和组织场。
结果表明：试件中上述各个部位测定的温度场、应力场和组织场与计算结果吻合良好；在淬火冷却约１０００ｓ时，试件心部与表面的应力差达到最大值，说明大尺寸Ｈ１１钢工件水淬过程中有一个易发生较大畸变或开裂的危险时段。
关键词：Ｈ１１钢；温度场；残余应力；对流换热系数；组织场；有限元模拟中图分类号：ＴＧ１５６．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８ １６９０（２０２１）０２ ００２１ ０５ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｆｏｒＨ１１ＨｏｔＷｏｒｋＤｉｅＳｔｅｅｌＺＨＡＮＧＹｕｈａｎｇ，ＷＵＲｉｍｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｐｒｅｄｉｃｔａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｈａｎｇｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔｓｕｒｆａｃｅａｎｄｉｎｃｏｒｅｏｆａｈｅａｖｙｗｏｒｋｐｉｅｃｅｏｆＨ１１ｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ｒｅａｌ ｔｉｍｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｃｏｒｅ，ｄｅｐｔｈｏｆ１０ｍｍｂｅｌｏｗｓｕｒｆａｃｅ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ６６ｍｍａｎｄ１３３ｍｍｆｒｏｍｃｅｎｔｅｒｉｎａＨ１１ｓｔｅｅｌｔｅｓｔｐｉｅｃｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ４００ｍｍｂｙ３４０ｍｍｂｙ３００ｍｍｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｗａｓｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ｔｈｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｉｅｌｄｗｈｉｃｈｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｉｎａｂｏｖｅ ｎａｍｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｏｓｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｃｏｒｅａｎｄｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｒｅａｃｈｅｓｍａｘｉｍｕｍｗｈｅｎｑｕｅｎｃｈｅｄｆｏｒａｂｏｕｔ１０００ｓ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｆｏｒｈｅａｖｙＨ１１ｓｔｅｅｌｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ｔｈｅｒｅｉｓａｄａｎｇｅｒｏｕｓｐｅｒｉｏｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗａｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｉｎｗｈｉｃｈｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｐｒｏｄｕｃｅｌａｒｇｅｒｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｒｔｏｃｒａｃｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈ１１ｓｔｅｅｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０ 引言顾名思义，模具钢是用来制作模具的钢种，水淬是决定热作模具钢加工性能和使用性能的关键工艺［１ ２］。
渗碳过程碳浓度分布数值模拟
渗碳过程碳浓度分布数值模拟模拟一、 实验目的建立渗碳过程中碳浓度分布的数学模型，通过matlab 软件进行数值模拟，绘制气体渗碳过程曲线、离子渗碳过程曲线以及层深与时间和温度关系曲线，分析不同条件下渗碳过程中碳浓度的分布关系及影响因素，进而深入了解渗碳过程这一材料处理工艺。
二、 实验器材装有matlab 的计算机三、 实验模拟参数材料：20#钢温度：860℃、900℃、950℃、1000℃初始碳量：0.80%、1.00%、1.20%、1.50%四、 实验原理（一）、首先建立一个关于渗碳过程的数学模型。
考虑一初始浓度均匀分布，其值为0c 的半无限厚介质（y ,z 方向无限大，x 方向半无限大），当t>0时，碳势为p c 。
随着时间的增加，浓度变化逐深入介质的内部。
扩散仅沿x 方向进行。
扩散过程中，介质另一侧的浓度始终维持不变。
1、 方程：c c =D x x τ∂∂∂∂∂∂（） 若假设D 与c 无关，则有22c c =D xτ∂∂∂∂ 2、 初始和边界条件：边界条件：0c -D ()p x c c x β=∂=-∂ 3、 方程的解：气体渗碳：200(,)()()exp()()22p x x x c x c c c erfc erfc D D D D ββτττβττ⎡⎤+=+--+⎢⎥⎣⎦ 式中，0exp()Q D D RT =-，Q=137800J/mol, 0D =16.22mm s ，扩散系数，单位2mm s12083039.6exp()RTβ=-，传递系数，单位mm s 离子渗碳：（当β−−→∞时）00(,)()()2p x c x c c c erfc D ττ=+- 4、 渗碳层厚度与时间和温度之间的关系前提条件是β−−→∞，有00(,)()()2p x c c c c erfc D δττ=+-。
取含碳量为0.38%时的层深，即令(,)c δτ=0.38%时模拟层深与时间和温度之间的关系。
22CrMoH材料奥氏体本质晶粒度显示方法—渗碳法的优化
22CrMoH材料奥氏体本质晶粒度显示方法—渗碳法的优化摘要：奥氏体晶粒度大小是钢材重要的质量指标。
本文通过对 22CrMoH 材质的钢材采用 4 种不同的工艺试验，找到了高效合理的渗碳法显示奥氏体晶粒度，并推广至 20CrNiMoH及 1538MV 钢材的奥氏体晶粒度显示。
关键词：热处理工艺；渗碳法；奥氏体晶粒度；网状碳化物一、背景概述奥氏体晶粒度是衡量晶粒度大小的尺度，有三种不同晶粒度的概念，即起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度。
钢铁材料在奥氏体化过程中，奥氏体的转变刚刚完成时的晶粒度称为起始晶粒度。
钢铁材料在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒度大小称为实际晶粒度。
用以表明钢铁材料奥氏体晶粒度长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。
研究表明，晶粒度细小，钢铁材料的强度、塑性和韧性高，可以适用于更复杂的工况条件，并且使用寿命延长。
反之，晶粒度粗大，则钢铁材料的强度、塑性和韧性低，使用周期短，甚至无法使用。
因此，奥氏体晶粒度是衡量钢铁材料质量的重要指标，并且钢铁行业内通常采用奥氏体本质晶粒度来判定钢铁材料的好坏。
钢铁材料的奥氏体本质晶粒度显示方法一般采用渗碳法、氧化法、网状铁素体法、网状珠光体法等。
齿轮锻件用钢属于低碳合金钢，国家标准推荐采用渗碳法进行奥氏体本质晶粒度的显示。
试样处理的工艺规范为：试样热处理在927℃±14℃保温8h，必须保证获得1.27mm以上的渗碳层，必须保证在规定的时间内产生过共析层。
我司目前齿轮锻件用钢材料有22CrMoH、20CrNiMoH，每月钢材使用量大约2000吨，占公司钢材用量的30%左右，齿轮锻件用钢在公司的生产当中占有很大的比重。
依据标准要求，我司22CrMoH齿轮锻件用钢采用渗碳法进行奥氏体本质晶粒度的显示。
通过执行过程发现，该工艺规范对试样处理工艺的操作要求描述宽泛，并且未明确加热保温后的冷却方式，按该工艺规范要求执行后，试样的奥氏体本质晶粒度经常显现不清晰、或无法显现，导致奥氏体本质晶粒度判定不准确甚至无法判定，需重新返工制备，耗费时间长，严重制约了生产效率。
相变对22CrMo钢淬火应力影响的数值模拟
第!"卷第#期#$$%年&月塑性工程学报’()*+,-(./-,01232145+62+55*2+6789:!"!+8:#,;<:!#$$%相变对##P 1K .钢淬火应力影响的数值模拟"!!:东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室"沈阳!!!$$$&#!#:沈阳航空工业学院材料工程系"沈阳!!!$$"&#!":一汽集团技术中心"长春!!"$$!!#!宋广胜!!#!刘相华!王国栋!!徐香秋"摘!要!利用有限元法和热弹塑性理论!结合马氏体相变动力学方程!对##3<O 8钢圆柱体试样在淬火过程中的温度场"组织场和应力场进行数值模拟分析!重点模拟分析了试样表面和心部在淬火过程中应力的变化及马氏体相变对淬火应力的影响#模拟发现!相变对淬火应力影响比较明显#在一定条件下!在油中淬火!组织应力对淬火应力分布的影响要远大于热应力的影响!最终试样的淬火残余应力将以表层为拉应力而心部为压应力的组织应力形式存在#通过对残余应力的测量结果表明!计算结果与实测值相吻合#关键词!淬火$相变$热应力$组织应力中图分类号!16!?%:"&!!!文献标识码!,!!文章编号!!$$@A #$!#%#$$%&$#A $$@?A $?"国家自然科学基金重点项目%?$?"&$#$&#宋广胜!5A B C D 9’J 8H K KJ !@!!%":M 8B 作者简介’宋广胜!男!!N @!年生!辽宁丹东人!东北大学!博士研究生收稿日期’#$$?A $&A #$$修订日期’#$$?A $@A $@!前!言开展对齿轮"齿圈等零件淬火过程的数值模拟研究!对于控制上述零件的淬火变形!优化热处理工艺具有重要意义###3<O 8是重要的齿轮钢!研究##3<O 8钢试样的淬火过程!将为开展齿轮等机械零件热处理过程的数值模拟研究打下基础#钢件热处理时!特别是淬火过程!由于截面各部分冷却速度不一致而存在温差!加之组织转变的不等时性等原因!使钢件截面各部分的体积胀缩不均一而产生热处理应力#热处理应力主要可分为热应力和组织应力两种!由于加热或冷却不均匀所造成的内应力称为热应力!由于组织转变的不等时性所造成的内应力称为组织应力(!"#)#以大型有限元软件为计算平台!结合相变动力学等知识!对其进行二次开发!是开展热处理应力数值模拟的重要手段#本文以大型有限元软件O C <M 为计算平台!结合马氏体相变动力学方程!利用用户子程序进行二次开发(")!对##3<O 8钢淬火过程的组织和应力变化进行数值模拟#!!淬火过程的数学模型淬火过程是温度场"组织场和应力场相互作用的复杂物理过程!淬火过程的计算是这"方面的耦合计算#!"!!温度场计算三维传热温度场控制偏微分方程为+=-S -2"--9K -S -()9’--H K -S -()H ’--M K -S -()M ’R%!&式中!+***材料密度=***比热K ***传热系数R ***相变潜热!其计算公式为R "(\+(T (2%#&式中!(\***单位体积奥氏体分解时释放的热量(T ***(2时间内奥氏体分解的体积边界条件为K-S -9C 9’-S -HC H ’-S -M C ()M "/%S &S o &%"&式中!C 9!C H !C M ***分别是9!H !M 方向的方向余弦/***表面换热系数S !S o ***分别为工件表面温度和环境温度初始条件为S %9!H !M !2"$&"S $%&&!"#!组织场计算本文所模拟的试样尺寸较小!淬火后组织为马万方数据氏体加少量的残余奥氏体!因此在组织计算中只考虑马氏体相变"马氏体转变属非扩散型转变!其转变量计算公式为T"!&P^;#&!$W1&S%&$?%式中!T’’’转变量W1’’’马氏体点!’’’常数!反映马氏体转变速率!取$:$!!#&& !"$!应力场计算淬火过程的热弹塑性问题属非线性问题!采用增量理论求解!在计算中!采用78H A O D J D J屈服准则!等向硬化条件和/<C H U I9A*P E J J流动法则"淬火过程应变增量包括如下几部分#?"%&U’:L"U’%:L’U’#:L’U’2/:L’U’2-:L$%%式中!U’%:L !U’#:L!A’2/:L!U’2-:L’’’分别为弹性应变增量(塑性应变增量(热应变增量和相变应变增量其中相变应变增量公式为U’2-:L"%S)U T!!%S"%$’$!W&!6%S$@%式中!%S’’’在温度S下生成马氏体时的体积膨胀系数%$’’’$c下的相变膨胀系数!W!!6’’’马氏体和奥氏体的热膨胀系数#!淬火过程的模拟所模拟的试样尺寸为5#$B Bg%$B B!取轴截面的!*&进行模拟!模型视为轴对称问题!其有限元剖分网格如图!所示!沿轴向和径向相邻节点的间距都为!B B"试样的初始温度为=%$c!淬入#$c的静态+"#淬火油中"根据反算法计算换热系数原理!实测了静态+"#淬火油的换热系数!实测结果如图#所示"本文所用##3<O8的部分物理参数如表!所示"图!!试样轴截面!*&的剖分模型.D K:!!O P J L D H K B8U P98R I L P J C B;9PD H!*&;C<I8R I L P M<8J J J P M I D8H图#!淬火油的表面换热系数.D K:#!.C M P L P C I I<C H J R P<M8P R R D M D P H I J8R f E P H M L D H K8D9表!!模拟计算的主要物理参数1C_:!!/L Q J D M C9;C<C B P I P<J8R J D B E9C I D H K M8B;E I D H K温度$c%#?!$$#$$"$$&$$?$$%$$@$$热传导系数$]*$B)Y%%&?:#%&%:"N&%:@"&?:=&?:@!&$:!!"?:$&#=:"比热容$Z’*$Z K)Y%%$:?!$:?&N$:?N N$:%&=$:@"$:@&=$:@N N$:=?热膨胀系数$!$i%*c%$参考温度#N c%i!#:!!#:??!":$?!":%?!&:#?!&:@!?:!#密度$Z K*B"%@=#$@=#$@=#$@=#$@=#$@=#$@=#$@=#$ "!模拟结果及分析取如图!所示的6(7(@点$轴向中心点%进行分析!6(@两点分别为表面点和中心点!7点为径向中心点""点的马氏体生成量随时间变化如图"所示"图"!马氏体生成量随淬火时间变化.D K:"!O C<I P H J D I P V89E B P R<C M I D8H f E P H M L D H K8D9V P<J E J f E P H M L D H K I D B P工件在淬火过程中!在工件内部及表面将产生由热应力和组织应力共同作用的宏观应力"热应力是由于淬火工件在冷却过程中内部存在温度梯度而产生的"冷却初期!由于表面冷却较快%@塑性工程学报第!"卷万方数据温度较低!而心部冷却较慢温度尚较高!表面急剧收缩而受到心部的阻碍!使表面处于拉应力状态!而心部处于压应力状态"表层和中心的应力随冷却时间的增长而达到极限值!以后又在继续冷却过程中!随试样内外温差的减小!应力逐步减小到零"冷却近结束时段!则因为内部继续冷却收缩而表层已停止收缩!使表层和中心的应力符号发生变化!即表面由拉应力转变为压应力#心部则由压应力转变为拉应力"组织应力产生的原因是工件在淬冷过程中!奥氏体向贝氏体和马氏体等组织转变$本文的淬火试样尺寸较小!只发生奥氏体向马氏体转变"%!由于奥氏体与马氏体的比容相差较大!且前者小于后者!因而在淬火冷却时!奥氏体向马氏体转变必然引起体积的膨胀"工件的表层及其附近部分首先发生马氏体转变!组织转变引起的体积膨胀受到内部的约束!工件的表层处于压应力状态!而内部则处于拉应力状态"在继续冷却的过程中!工件内部陆续发生马氏体转变!内部组织转变引起的体积膨胀受到外部约束!使内部由拉应力转变为压应力状态!而外部由压应力转变为拉应力状态!这种应力状态一直保存到工件内各点组织转变全部结束!成为组织应力"工件在淬火过程中!由于有相变的发生!热应力和组织应力将同时发生!工件的最终应力状态取决于两者之和"在工业生产中!工件淬火目的是获得高硬度&高强度的马氏体!即由高温的奥氏体转变为常温下的马氏体组织!所以在对工件的淬火热处理应力分析时!必须考虑相变产生的组织应力"对上述试样进行淬火过程应力模拟!由于径向应力值较小!所以本文只分析轴向和切向应力"在冷却过程!6&7&@点的热应力和组织应力综合作用的轴向和切向应力随时间变化分别如图&和图?所示"分析图&中冷却过程中各点的轴向应力变化!在冷却初期!试样表面附近的降温速度高于内部!热应力的作用使表面6点的拉应力迅速上升到约&$$O/C!心部@点的压应力则缓慢增加至约#$$O/C!随表面冷却速度的下降!表面6点的拉应力不断减小!点7&@的压应力也不断减小"在淬火后约#$J时刻!6点首先冷却至W1点$本文所用材料的W1点为"=?c%!发生马氏体相变!相变的体积膨胀受到内部约束使6点的压应力急剧增大#此时7&@点未发生相变!由于表面压应力的增加使7&@点的拉应力值迅速提高!6&7&@点图&!参考点轴向综合应力随时间变化.D K:&!,^D C9J Q H I L P J D a P U J I<P J J8R<P R P<P H M D H K;8D H I J V P<J E J I D B P图?!参考点切向综合应力随时间变化.D K:?!1C H K P H I D C9J Q H I L P J D a P U J I<P J J8R<P R P<P H M D H K;8D H I J V P<J E J I D B P的应力陆续发生反向"此时表面处于压应力状态!心部处于拉应力状态"当继续冷却至约#?J秒时刻! 7&@点陆续发生马氏体相变!相应部分的拉应力在分别达到最大值#?$O/C和&#$O/C后迅速减小!同时表层6点的压应力在达到最大值约=$$O/C后迅速减小"约!$$J时刻!6&7点的应力再次反向!约!=$J时刻@点的应力再次反向"淬冷至#$$J后!试样内部各点温差已很小!相变已经结束!试样的应力状态为表层为拉应力状态!心部及其附近部分为压应力状态!这种热应力和相变相互作用而产生的综合应力!将保存在试样表层及内部而成为淬火残余应力"图?中所示的6&7&@点的切向应力经历同样的变化过程!即在冷却过程中!由于热应力和相变的共同作用!各点的切向应力经历了两次反向!只是在相同时刻!应力值的大小不同"试样淬火后的轴向和切向残余应力沿径向分布分别如图%和图@所示!对应的位置分别为图!中6点到@点&3点到?点和!点到8点"由残余应力的分布可以看出!表层附近出现了轴向和切向应力的最大拉应力!其值分别约为#@$O/C和""$O/C"@@!第#期宋广胜等’相变对##3<O8钢淬火应力影响的数值模拟万方数据图%!轴向残余应力分布.D K:%!T D J I<D_E I D8H8R C^D C9<P J D U E C9J I<P J J图@!切向残余应力分布.D K:@!T D J I<D_E I D8H8R I C H K P H I D C9<P J D U E C9J I<P J J为验证模拟结果的精度!用O0.A#O型k射线应力仪对淬火后的试样测量了表面"端面及试样内部残余应力#为测量试样内部应力值!对试样端面采用电解腐蚀剥层!剥层深度为#B B#剥层在k.A !型电解抛光机上进行!腐蚀液为饱和+C39水溶液#测量点的选取如图!所示!在表面从6点开始沿轴向至端面边缘!每隔%B B选取一点$!点除外%测量应力&在端面从8点开始沿径向至Y点!每隔"B B选取一点测量应力&在试样内部!剥层后从\点开始沿径向至Z点!每隔"B B选取一点测量应力#表面各点的轴向及切向应力值测量和计算结果如表#所示!表#中的!"?点分别为图!中6点沿轴向至端面边缘$!点除外%间距为%B B的表面上各节点#表#!表面点的应力值!K L2"1C_:#!0I<P J J V C9E P J8R J E<R C M P;8D H I J$)H D I’O/C%应力测量点!#"&?轴向$测量值%!=?!&=!!"%&i&!轴向$计算值%!?%!??!"=@=i#N切向$测量值%!!"!#=!%%!@$#"$切向$计算值%!"&!&$!?=!@=#$@端面及内部各点的应力值测量和计算结果如表"所示!表中的!"&点分别为图!中8点沿径向至Y点间距为"B B的端面上各节点!’"*点分别为图!中\点沿径向至Z点间距为"B B的内部各节点#表$!端面及内部点的应力值!K L2"1C_:"!0I<P J J V C9E P J8R P H U R C M P C H U D H I P<D8<$)H D I’O/C%应力测量点!#"&’()*轴向$测量值%i#&$i#$%i@$i&@$""&#%&轴向$计算值%i##!i!N#i==i?&?#=##&N 切向$测量值%i#N&i##%%"#@!i?"i!#$i&&#=%切向$计算值%i#@N i#$%=%#?@i=&i N"i%!"!!由表#和表"中数据可知!除个别点外!无论是在试样表面还是内部!各测量点的计算值与实测值误差在n!=\范围内!计算值与测量值基本吻合!沿轴向和径向应力分布规律也基本一致!淬火试样的残余应力实测结果证实了模拟结果是正确的#&!结!论!%所模拟的各点应力变化过程表明!在一定条件下!淬火过程的相变加快了各点的应力反向速度!并使各点的应力在达到最大值后再次反向!最终呈现表层为拉应力而心部为压应力的组织应力分布# #%模拟结果表明!淬火过程中!相变和热应力相互作用而产生的热处理应力最终将以残余应力的形式存在!各点残余应力值低于室温下该材料的屈服强度值!试样内部各点处于弹性平衡状态# "%残余应力的测量可用来检验模拟结果的准确性!试样表层及内部的残余应力的测量结果与计算结果比较后表明!模拟的结果是正确的!所采用的数学模型是合理的#参考文献(!)!编写组d钢的热处理裂纹和变形d北京’机械工业出版社!!N@=d#"?(#)!刘宗昌d钢件的淬火开裂及防止方法d北京’冶金工业出版社!!N N!d@#"@=(")!陈火红等d O03d O C<M二次开发指南d北京’科学出版社!#$$&(&)!刘庄等d热处理过程的数值模拟技术d北京’科学出版社!!N N%d%?"%%=@塑性工程学报第!"卷万方数据!?"!00Gp J I <p B d 2H I P <C M I D 8H JC H UM 8H J I D I E I D V PB 8U P 9J R 8<M C 9M E 9C I D H KfE P H M LJ <P J J P JD HJ I P P 9d ’dO C I P <D C 9JC H U 1P M L H 898K Q#!N =?d !#=#""=#N !%"!顾剑锋等d冷轧辊淬冷过程的模拟研究d 金属热处理学报#!N N %d $#%&!""H +8,1/-4/8+*20/.(.(05,,)),-0.)3524,012(4).1820/.(.(A +,(-5/(9401,44.)##P 1K .40,,*0(+66E C H K A J L P H K !##-2)k D C H K A L E C !],+66E 8A U 8H K!$!:0I C I PY P Q -C _8<C I 8<Q 8R *899D H K e ,E I 8B C I D 8H #+8<I L P C J I P <H)H D V P <J D I Q #0L P H Q C H K!!!$$$&!3L D H C %$#:T P ;C <I B P H I 8RO C I P <D C 9J5H K D H P P <D H K #0L P H Q C H K 2H J I D I E I P 8R,P <8H C E I D M C 95H K D H P P <D H K #0L P H Q C H K!!!$$"&!3L D H C %k )k D C H K A f D E "$":3L D H C.,]6<8E ;38<;8<C I D 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钢铁研究学报第１８卷
图２计算和实测的渗碳层碳浓度分布
Ｆｉ晷２
Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ帅ｉｎ
ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄｌａｙｅｒ
过程，取图１中的Ａ、Ｂ、Ｃ３点进行分析，所模拟的３点马氏体生成量随时间变化如图３所示。
由图３所示的计算结果可知，试样内部及心部
比表面渗碳层部分先发生马氏体相变，这是由于渗碳层较高的碳含量大幅度降低了该部分的Ｍ：值。
将本文所选的２２ＣｒＭｏ成分带入公式（９），计算所得
Ｍ。
值为３８５℃，与实测结果一致，这证明对本文所
选的材料，公式（９）是适用的。
根据公式（９）计算得Ｂ、Ｃ点的Ｍ。
值为３８５℃，Ａ点Ｍ。
值约为１８０℃。
并且由图３可以看出，渗碳层部分由于ＭＳ值降低，使该部分的马氏体转变量减少，相应的残余奥氏体含量将增加。
对淬火后试样取表层和心部组织作金
相分析，如图４所示，渗碳层部分淬火后的组织除了黑色针状高碳马氏体外，还含有大量白色的残余奥氏体，经测定表层部分的残余奥氏体含量约为１８％，与计算结果吻合。
心部组织由板条状低碳马氏体组成。
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图３马氏体含量在淬火过程中的变化
Ｆｉｇ．３
Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｖｏｌｕｍｅ
ｆｒａｃｔｉｏｎｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
图５表示了淬火过程轴向应力形成过程，曲线。
表示１２ｓ时刻的应力状态，此时在试样内各点还没有发生马氏体相变，应力分布为表层为拉应力而心部为压应力的热应力状态。
曲线１表示约１６ｓ时刻
的应力状态，此时区域①的温度降至Ｍ。
点，发生相
变体积膨胀，造成该区域的压应力增加，试样心部由压应力转为拉应力状态。
随时间的延长，马氏体相变区域从初始相变区①向表层和心部扩展，曲线２是３０ｓ时刻相变区域扩展至区域②时的应力状态，
这时区域②的两端分别达到Ｍ。
点，试样相变区域
的压应力增大，而心部和表层的拉应力值增大。
相变区域继续向内、外扩展，由于表层部分碳含量较
高，使该部分的Ｍ。
值较低，该部分是试样最后完成
相变的区域，最终的相变膨胀造成表层部分为压应
（ａ）表面；（ｂ）心部
图４
２２ＣｒＭｏ钢渗碳淬火后的组织
Ｆｉ昏４
Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｌ’ｅｓｏｆ
２２ＣｒＭｏｓｔｅｅＩａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
22CrMo钢渗碳淬火过程组织与应力变化的数值模拟
作者：宋广胜， 刘相华， 王国栋， 徐香秋， 李国臣， SONG Guang-sheng， LIU Xiang-hua，WANG Guo-dong， XU Xiang-qiu， LI Guo-chen
作者单位：宋广胜,刘相华,王国栋,SONG Guang-sheng,LIU Xiang-hua,WANG Guo-dong(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004)， 徐香秋,李国臣,XU Xiang-qiu,LI
Guo-chen(一汽集团技术中心,吉林,长春,130011)
刊名：
钢铁研究学报
英文刊名：JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH
年，卷(期)：2006,18(10)
被引用次数：5次
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本文链接：/Periodical_gtyjxb200610009.aspx。