铸锻合金热处理数值模拟及软件应用

《铸锻合金热处理数值模拟及软件应用》课程学习的认识和体会
前言：随着现代化工业的发展，人们对机械零件的性能和可靠性的要求越来越高。

金属零件的内在性能和质量，除材料成份特征外，主要是在热加工过程中形成的。

材料热处理是保证零件内在质量的重要技术，由于热处理过程中零件自身的热传导、相变和应力的变化都无法直接观测，传统的热处理技术不可否认其不同程度的盲目性，与机械工业现代化的要求不相适应，现代计算机技术与热处理工艺的结合已成为当务之急。

正文：热处理作为材料加工过程的后部工序,对零件的性能和质量起着重要的作用。

但由于热处理过程中,零件的内部温度分布不均匀,组织转变不均而产生残余应力会造成零件的不均匀变形,降低零件的抗弯曲、扭转强度和疲劳强度,增加断裂敏感性。

在同样的选材条件下,如果选择好的热处理工艺,就能够产生合理的应力分布,减小不均匀变形,延长使用寿命。

因此,合理制定工艺对热处理来说至关重要。

数值模拟的目的是揭示热处理过程中零件内部的瞬态温度场、组织变化、内应力或渗层浓度变化等,进而指导生产实践。

热处理过程中零件内部温度的变化引起相变,而相变潜热反过来影响零件温度场;温度变化和相变也同时导致零件内部应力场。

因此热处理过程的模拟必须采用温度———相变———应力/ 应变三者耦合的算法[1-3]。

一、热处理数值模拟的研究内容和方法
1.含相变的耦合过程
热处理过程如淬火和回火等都包含相变。

例如,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。

温度、组织和应力/ 应变三者相互作用(如图1
所示) ,称作“金属—热—力学耦合”[6 ]。

整个耦合系统包括如下一些相互作用。

1) 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。

2) 塑性功生成热:一般热处理过程中,塑性变形所产生的热量很少,可以忽略不计。

3) 相变:温度是影响相变开始和进程的主要因素。

4) 相变潜热:相变过程产生的热量影响温度场。

5) 相变应力和相变塑性:相变会造成零件的体积膨胀或收缩。

当这种体积膨胀不均匀时,产生的应力和应变,叫做相变应力和应变。

6) 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。

7) 碳浓度分布的影响:当渗碳零件淬火时,如图1 中的虚线所示,渗入的碳的分布
通过材料性能变化影响温度和应力/ 应变。

含碳量不同的钢的等温转变曲线( TTT) 和连续冷却转变曲线(CCT) 应作为数值模拟的基本数据。

2.混合定律
假设热处理零件是由多相质点混合而成的,材料热物性参数和力学性能可用混合定律描述[7 ,8 ] :
其中ξⅠ代表Ⅰ相的体积分数。

公式(1) 可应用于多相混合组织的热容、导热系数、热膨胀系数等热物性参数的计算,也适用于弹性模量E 及屈服极限等力学性能参数的计算。

例如当知道了组织中各相的热容和体积分数时,就可利用它计算组织的平均热容。

此定律为多相混合组织的热容计算提供了方便,但作了一定的近似处理。

3.相变动力学
热处理过程中的相变属固态相变,根据形核和长大的特点,固态相变可分成扩散型相变、非扩散型
相变和过渡型相变[9 ]。

在扩散型相变中,新相的形核和长大主要是依靠原子进行长距离的扩散进行的。

奥氏体—铁素体和奥氏体—珠光体组织变化及反过来的变化受扩散型相变支配,这种相变受温度史和温度本身控制。

在回火过程中,伴随蠕变产生的应力松弛,扩散型相变控制马氏体中碳化物的析出。

在非扩散型相变中,新相的成长不是通过扩散,而是通过切变和转动而进行的。

马氏体转变就属于非扩散型的相变。

过渡型相变是介于上述两种转变之间的一种相变。

贝氏体转变就属于这种类型。

相变时铁素体晶格改组是按切变机构进行的,接近马氏体转变,而相变过程中还伴着原子的扩散。

对于扩散型相变,JMAK 方程是最常用的动力学方程之一, 由Johnson 和Mehl ,Avrami 及Kol2mogorov 等分别确立,现通常称为JMAK 方程,或JM、JMA、Avrami 方程等[10] ,用于计算扩散型相变奥氏体、珠光体和贝氏体的体积分数ξⅠ。

4.热传导方程
热处理中的温度场受相变潜热的影响,还有机械功转化的热,因此热传导方程由考虑总的能量平
衡导出或由热力学第一定律得到:
5.弹塑性本构方程
在小变形条件下,总的应变速率可分为弹性(e) 、塑性(p) 和热( T) 应变速率,以及相变(m) 和相
变塑性(tp) 应变速率[11]等。

6.研究内容
大型锻件产品是冶金、能源、交通和化工等重大装备上的关键性零部件,所要求的各项力学性能都比较高,而这些指标都是靠热处理来获得的。

因此热处理工序是保证产品内部质量、满足性能要求的关键环节。

为了保证产品质量及性能要求,避免产生较大的残余应力,热处理工艺往往普遍采用保守的方法,耗时较长。

但这会大大增加制造成本和拖延生产周期。

因此,如何在保证质量的前提下缩短热处理时间,是改进热处理工艺的一个重要发展方向。

大型锻件生产具有单件、小批量的特点。

前期投入比较大,一旦产品报废,会造成很大的损失,这就对工艺制定的合理性提出了更高的要求。

在生产新产品或制定新工艺时,单凭经验有可能使性能不合格。

但若进行大量实验研究,会造成人力、财力的浪费;同时,大型锻件尺寸较大,不可能进行1∶1 实物研究,而且物理实验通常具有一定的局限性,不能全面了解整个工艺过程。

因此,随着热处理过程的数学模型和计算方法的不断完善,热处理过程的计算机模拟日益受数值模拟在大型锻件热处理过程中具有极大优势。

下面为L型锻件内部两点M,N的温度变化过程。

M、N 两点模拟结果和数值计算结果的平均差值分别小于2. 2 ℃和1. 6 ℃。

模拟计算建立的模型基本正确。

模拟计算值和实验值虽然有一定的误差,但总的说来,数值模拟计算结果还是比较准确的反映了工件内温度变化情况,模拟结果能够满足实际工程需要。

二、主要存在问题
缺乏模拟所需的材料参数,即可靠的材料性能和边界条件数据。

尤其对于淬火过程,材料参数包括热物性参数(导热系数、热容、热膨胀系数、相变潜热) 、力学性能参数(弹性模量、泊松比、屈服强度、塑性模量) 、相变动力学参数、相变膨胀系数、相变塑性系数和淬火过程中的工件表面各处的换热系数等,且这些参数随组织组成和温度等条件是变化的。

就拿表面换热系数来说,由于工件和冷却介质间接触,在淬火过程中其数值发生剧烈变化,仅仅改变冷却介质的搅动情况,就会对其产生非常大的影响。

由于换热系数随零件表面不同位置变化,尤其是浸入产生蒸汽的淬火液中,通常导致预测结果的严重错误。

不同学者对换热系数的取值相差很大,仅对于油淬,其值从几百到几千W/ (m2 ·K) 之间变化。

有的作者取平均值,有的是根据反传热方法计算出来的随温度变化的换热系数,再应用到热处理过程的模拟中。

一般说来,后者更能反应淬火过程的换热特性。

应用上由于不能确定轮齿处的换热系数,无法精确模拟出轮齿的淬火变形。

模型不是“万能的通用的”,淬火过程的模型不能用于加热过程。

虽然不同学者提出了各自的数学模型并证明了它们的效果,但是没有一种是完善的,造成这种现象
的原因之一是模拟的复杂性,以及缺少必要的使模拟精确的材料数据库。

另外,精确度本身很难估计。

由于工件的变形随时间瞬时发生,有各种不同因素造成的变形很难再现。

模拟技术基础的复杂性使其有效性或精确性变得模糊。

三、总结及发展趋势
热处理过程的数值模拟虽然已取得一定进展,发展中的挑战也很多。

很明显,材料热处理过程模拟的目的远没有达到。

理论基础、可靠数据、模拟工具和验证技术是材料热过程模拟的主要障碍。

人们对材料热处理过程计算机模拟的重要性和意义的认识在不断加深。

ASM1999 年的研究和发展规划中确认了一系列高度优先发展的模拟研究领域,包括淬火模型建立,电磁模型、力学模型和相变数据结构。

详细课题包括零件内温度变化、变形和残余应力、相变特性、可靠的相变数据、热传导系数、炉气环流、渗碳和渗氮表面的浓度分布图。

在我国,复杂机器零件的热处理变形的计算机模拟和控制、热处理工艺及质量效果(组织和性能) 模拟技术以及温度场的计算机模拟技术等作为智能化热处理技术已列入热处理行业“十五”发展和推广的热处理新技术和质量控制技术之中[12]。

目前的发展趋势是用计算机数值模拟的方法来预测出金属在热处理过程中产生的组织分布、残余应力和变形等。

虽然热处理的数值模拟还面临艰巨的困难和任务,距离精确预测热处理过程的残余应力和变形,还有很长的路要走。

就现有的热处理方法而言,淬火冷却条件的变化很难弄清并加入到模拟模型中,因此在某种程度上模拟和实验结果仍有偏差,进一步的基础研究和现有的模型改进必须与实验结果相符合。

模型的建立和模拟技术的进一步开发和扩展,必须有足够的材料的物理和力学性能数据库,及足够精确的换热系数加入到模型中。

这样的数据库的建立是极其艰巨的任务。

随着模型和材料数据库的不断完善,热处理技术终将摆脱凭经验和粗略的定性估算进行生产的落后状态,向精确预测和严格定量控制的方向飞跃[13]。

参考文献
[ 1 ]S. Kamamoto ,T. Nishimori ,S. Kinoshita ,Analysis of Residual Stressand Distortion
Resulting from Quenching in Low - Alloy SteelShafts ,Materials Science and Technology
[J ] ,1985 ,1 (10) , 798 -804
[2 ]S. Sj j str j m , Interactions and Constitutive Models for CalculatingQuench Stresses in
Steel , Materials Science and Technology [ J ] ,1985 ,1 (10) ,823 - 829
[ 3 ] T. Inoue ,and Zhigang Wang ,Coupling Between Stress ,Temperatureand Metallic
Structures During Processes Involving Phase Transfor2mations ,Materials Science and
Technology[J ] ,1985 ,1 (10) ,845 -850
[4 ] Yuan Fa - rong and Wu Shang - li , Transient - Temperature andResidual - Stress Fields
in Axisymmetric Metal Components afterHardening ,Materials Science and
Technology[J ] ,1985 ,1 (10) ,851- 856
[5 ] T. Inoue , T. Yamaguchi , and Zhigang Wang , Stresses and PhaseTransformation Occurring in Quenching of Carburized Steel GearWheel ,Materials Science and Technology [J ] ,1985 ,1 (10) ,872 -876
[ 6 ] Tatsuo Inoue ,Kiyoshi Funatani ,George E. Totten ,Process Modelingfor HeatTreatment : Current Status and Future Developments [ J ] ,Journal of Shanghai jiao Tong University ,2000 ,E(5) ,14～25
[ 7 ]Dong Ying JU ,Michiharu Narazaki ,Hirofumi Kamisugi ,etal ,Com2puterPredictions
and Experimental Verification of Residual Stressesand Distortion in Carburizing - Quenching of Steel [ J ] ,Journal ofShanghai jiao Tong University ,2000 ,E(5) ,165 - 172 [ 8 ] JU Dong - ying , MACHITA Kazunari , MU KAI Ryuji , CHENYong ,Computer
Simulation of Metallic Thermal - Mechanical Be2havior in Carburizing - Quenching of
Gear ,Journal of Iron and SteelResearch International[J ] ,2002 ,Special Issue ,531 - 535 [9]中国金属学会,中国有色金属学会编,金属材料物理性能手册[M] ,冶金工业出版社,1987. 12
[10] 田莳,李秀臣,刘正堂,金属物理性能[M] ,航空工业出版社,1994. 5
[11]崔忠圻,金属学与热处理[M] ,机械工业出版社,2000 ,240
[12]中国热处理行业协会,中国机械工程学会热处理分会,热处理行
业“十五”发展规划和2015 年发展设想[J ] ,金属热处理,2001 ,
5 ,47～49
[13 ]阎承沛,计算机技术在我国热处理工业领域的应用和发展[J ] ,
金属热处理,2000 ,10 ,26～29。