热处理数值模拟研究

2017年 第 11期
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 15
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WORKSHOP
SOLUTION
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形 所 产 生 的 热 量 很 少 ，可 以 忽 略 不 计 ； ! 相变:温度是影响相变开始和进程的主要因素； "相变潜热:相变过程产生的热量影响温度场； # 相 变 应 力 和 相 变 塑 性 :相变会造成零件的体
梯 度 gradT，非 弹 性 应 变 $ ，硬 化 参 数 k 等变量构
成的状态变量（来 表 示 ：
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rd源自文库
(3)
式 3 中 非 弹 性 应 变 $ ，相 变 体 积 率 和 屈 服 空 间都可以按照连续介质力学体系的内部变量形式 描 述 ，其描述 形 式 和 式 3 相同%'。 2 . 2 非弹性本构方程
% 碳 浓 度 分 布 的 影 响 ，当 渗 碳 粹 火 时 ，如 图 1 虚 线 所 示 ，渗 人 的 碳 的 分 布 通 过 材 料 性 能 变 化 影 响 温 度 和 应 力 、应 变 。含 碳 量 不 同 的 钢 等 温 转 变 曲 线 (TTT)和 连 续 冷 却 转 变 曲 线 （CCT)应 作 为 数 值 模 拟 的 基 本 数 据 ％。
积 膨 胀 或 收 缩 ；当 这 种 体 积 膨 胀 不 均 匀 时 ，产生的 应 力 和 应 变 ，即为相变应力和应变；
$ 应 力 诱 导 相 变 ：相 变 行 为 也 受 工 件 内 存 在 的 应 力 、应 变 的 影 响 ，例 如 ，在 拉 应 力 作 用 下 珠 光 体 相 变 时 间 减 少 ，又 如 在 外 力 作 用 下 ，即使材料 在 高 于 马 氏 体 转 变 开 始 温 度 ，马 氏 体 相 变 也 可 能 发生；
根 据 目 前 的 数 值 模 拟 技 术 ，热 处 理 的 数 值 模 拟理论基本上还是采用建立在连续体的热传导、 电 磁 场 、扩 散 、非弹性和相变动力学方程基础之上 的连续介质力学理论和考虑了这些方程之间相互 作 用 关 系 的 多 场 耦 合 理 论 %'。 2 . 1 连续体多场理论的基本方程
为 了 描 述 热 处 理 的 复 杂 现 象 ，可 以 按 照 连 续 介 质 热 力 学 的 理 论 来 建 立 多 场 方 程 。考虑物质中 的 任 意 物 质体积都是由ra种 相 变 物 质 所 组 成 ，其中 第 "目 物 质 的 体 积 率 为 s" 1 、* + 、！ 。 由于单 位 体 积 中 《相 的 和 等 于 1 ，满足以下的 混 合 定 律 ：
2 热处理数值模拟的基本原理
热处理过程中零件内部温度的变化引起相 变 ，而相变潜热影响零件温度场;温度变化和相变
作者简介:崔磊（1983— , 男 ，中级工程师，硕士学位，研究方向为 材料及热处理。
也同时导致零件产生内部应力场。例如热处理的 G 火 和 回 火 等 都 包 含 相 变 。加 热 时 ，珠 光 体 或 铁 素 体 转 变 成 奥 氏 体 ;冷 却 时 ，奥氏体转变成珠光体 或 马 氏 体 。零 件 内 部 温 度 和 应 力 、应 变 的 分 布 也 随加热或冷却过程产生和重新分布+。因此热处 理 过 程 的 模 拟 必 须 采 用 温 度 一 相 变 一 应 力 、应变 三者耦合的算法[1]，如 图 1所 示 。
混 合 定 律 G0 1 自 由 能 理 论 可 以 推 导 出 多 相 物 体 的 弹 性 和 非 弹 性 本 构 关 系 。然 而 ，在相 变 产 生 过 程 中 ，相 变 带 来 的 体 积 变 化 和 周 围 的 塑 性 变 形 被 称 为 相 变 塑 性 行 为 或 相 变 超 塑 性 行 为 ，1 = ? 等人提出描述这种行为和计算相变塑性应变率的 方 法 ，其形式如下A
, "1
(1)
"1
第 i成分的物质特性的混合定律可用以下公
式表示：
X= , X"i
⑵
"1
进 一 步 从 连 续 介 质 热 力 学 的 观 点 出 发 %'，物体
的 客 观 状 态 量 可 以 用 Gibbs自 由 能 ，熵 ，热通量以
及 弹 性 应 变 $ ，物 体 内 部 的 应 力 3 ，温 度 T ，温度
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组织场
相变应力/塑性
_______________ ^ 诱导相变
应力/应变
图 1 温 度 扬 - 组 织 扬 - 应 力 /应 变 耦 合
整个耦合系统相互作用如下。 a.热 应 力 ：在 热 处 理 过 程 中 ，零件中由于 加 热 或 冷 却 不 均 匀 产 生 了 温 度 梯 度 ，由此产生热膨胀 和热应力； " 塑 性 功 生 成 热 ：一 般 热 处 理 过 程 中 ，塑性变
关 键 词 ：热 处 理 数 值 模 拟 多 场 耦 合 虚 拟 制 造 系 统 中 图 分 类 号 :TG156 文 献 标 识 码 ：B
1
上 世 纪 80年代初以来，通过计算机模拟来理解 和优化多种零件和材料的热处理工艺已有许多成 功的 实 例 。模拟技术在热处理科研中，有助于更好 地 理 解 畸 变 、残余应力产生以及淬火开裂的机制; 在 工 业 应 用 中 ，则 有 助 于 使 畸 变 减 至 最 小 ，防止零 件 开 裂 和 提 高 其 使 用 寿 命 。该领域已经进行的研 究大部分是针对齿轮、轴 、轴 承 、发动机铸件、模 具 、 轮毂和阀门等对尺寸精度和使用寿命要求较高的 零 件 。所 研 究 的 零 件 材 料 种 类 繁 多 ，包括常用钢 铁 、铝合金以及钛合金和超级合金等航空材料。根 据 零 件 材 料 的 不 同 ，相 应 的 热 处 理 工 艺 有 淬 火 、渗 碳 、碳氮共渗、感应淬火和激光淬火[1]。
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热处理数值模拟研究
崔磊谭福瑞杨林李駿
1中 国 第 一 汽 车 集 团 公 司 发 展 制 造 部 ，长 春 130011)
摘 要 ：主 要 介 绍 了 热 处 理 数 值 模 拟 的 基 本 原 理 ，即 多 场 耦 合 理 论 。叙 述 了 国 内 外 发 展 概 况 ，并 选 择 几 款 国 内 外 主 流 数 值 模 拟 软 件 进 行 了 详 细 介 绍 。根 据 目 前 的 情 况 ，阐 述 了 热 处 理 数 值 模 拟 技 术 未 来 的 发 展 方 向 ，例 如 ，建 立 热 处 理 知 识 库 、智 能 优 化 系 统 、虚 拟 制 造 系 统 等 。