有限元法数值模拟S5120热处理过程

铸锻合金热处理数值模拟及软件应用报告
有限元法数值模拟S5120热处理过程
学号：1111900305
姓名：贾晓俊
摘要：
本文主要是简单的应用ABAQUS软件数值模拟直径60mm，高60mm材料为S5120的圆柱体工件在渗碳过程表层碳含量变化，淬火过程中的应力变化、组织变化、温度场变化、硬度变化；采用有限元分析方法，本文主要选取两个位置进行上述各方面的变化模拟，分别是轴心上的一点（333）和表面上的一点（634）；从模拟结果中可以看到渗碳过程中只有表面一定深度范围内（小于1mm）碳含量有变化，表面碳含量上升到碳势，心部及绝大部分区域碳含量基本不变；马氏体相变导致珠光体和铁素体含量均由表面向心部逐渐增大；硬度则是表面最大，一定深度内骤减到心部硬度；表面应变最大，最小应变在矩形中部一个大约圆环的区域处；淬火应力只是在轴向心部为拉应力，其余方向各个位置均为压应力；上贝氏体和下贝氏体转变量最多均发生在距表面一定深度范围内的区域，随后向靠近心部区域逐渐减少，而表面含量最少。

模型简述
由于圆柱体形状具有对称性，将圆柱体简化为一个二维平面上的矩形，长60mm，宽30mm，只需对该矩形在渗碳和淬火过程中的变化进行模拟即可表征整个圆柱体的变化；先将材料在炉子中加热，进行渗碳处理，达到要求后再将材料进行淬火热处理，冷却过程中发生组织转变；渗碳过程中将材料放在具有一定碳势的渗碳介质中，其初始条件为原材料的碳含量，边界条件为表面碳含量为渗碳介质碳势（不考虑表面碳含量上升到介质碳势的时间）；淬火过程中先将渗碳后的材料加热到临界温度Ac3以上30-50℃使之完全奥氏体化，然后以大于一定临界冷却速度冷却，加热过程中对于温度场而言，初始条件即为材料的初始温度，边界条件为热交换方程。

结果分析
1、渗碳过程
渗碳过程中表面碳含量必然比轴心处大，并且表面碳含量的变化也大，表面碳含量达到渗碳介质的碳势后，将不再上升并保持，表面碳含量升高的同时碳也会向材料内部扩散，由于扩散过程中恒温，根据相律可知不可能存在两相共存的状态，所以在碳扩散的时候发生铁素体向奥氏体的转变时，两相之间有一个明显的界面，并且这个界面随着碳的扩散向心部推移。

图1 333与634点碳含量变化
从上图中可以看出333与634点在同一时间点碳含量有一个突增，随后碳含量变化较小，并且333（轴心上的点）的碳含量比634（表面上的点）低，634点处的碳含量还在不断增加，最终可达到渗碳介质碳势。

从下图中可以明显看到，碳在表面上的浓度比内部高，且内部的碳浓度基本在渗碳过程中处于不变，而只是在距表面一定深度范围内碳浓度才会发生变化。

图2 碳分布
2、淬火过程
2.1温度变化
淬火过程中先将材料加热到临界温度以上一定温度后，保温一段时间后再进行冷却，整个过程温度场的变化如下图：
图3 333与634点淬火过程温度变化
从上图可看出两点之间的温度变化基本同步，存在的差别较小，与实际相差较大；实
际热处理过程中心部的温度必然要比表面低，并且总是落后于表面，这是模拟过程的一个
不足之处。

2.2应力变化
图6 333与634点圆周方向应力变化 从X 轴应力变化图看出，333点（轴心处）的应力在冷却刚开始时基本不变，一定时间后有一微小的上升，634点（表面处）在冷却刚开始时就发生剧烈变化，表面应力先为拉应力然后变为压应力，经过剧烈变化后在一定时间内一直保持一定的拉应力，基本在 333点应力变化的同一时间点634点处的应力突然变化压应力，最终保持一定的压应力；表面应力刚开始的剧烈变化时由于组织变化引起，随后的稳定阶段是转变后的组织一直处于稳定状态，没有再次发生相变，最终的变化应该是内部的组织变化引起外表面形成压应力。

从Y 轴应力变化图看出333与634点在刚开始的时候均发生剧烈变化，随后轴心处处于拉应力，表面处于压应力，经过一段时间后应力再次发生剧烈变化，使得轴心与表面均处于压应力状态，并且表面处的压应力更大于轴心处；刚开始的剧烈变化时由于表面相变引起在Y 轴方向上的尺寸变化，致使出现表面压与心部拉的应力状况，最后的巨变阶段是由于心部的相变引起。

从Z 轴应力变化图看出其变化与Y 轴类似，原因必然与上诉引起Y 轴变化的原因相同，这里不再具体阐述。

冷却过程刚开始时， 333 与 634 点的 三个 方向 应力 变化 进行比较：
图 4 333点与634点轴向应力变化
图 5 333点与634点周向应力变化
径向应力分布图可以与X 轴应力变化相对应，根据点333与634的位置，从径向应力分布图中可以看到，点333处于压应力状态，点634处于拉应力状态，这与表面发生相变有关。

轴向应力分布也和 Y 轴应力变化的最终应力状态相对应，表面 634 点处于压应力状态，
心部333点也是处于压应力状态，但表面的压应力明显比心部的压应力大。

从应变图中可以得到在淬火过程中，表面处的应变较大，特别是材料的两个外圆周棱角上，心部轴向方向上的变形较小，从表面向心部的变形逐渐变小趋势；从硬度图上看表面较小深度范围内硬度值较高，然后快速过渡到基本与心部硬度相同的位置，显然这是由于淬火过程中表面一定深度范围内相变生成马氏体，使得硬度最高，而心部淬火生成马氏体的含量小于表面。

2.4相变
图 7 选点 333 处（红点处）
图 8 径向应力分布
图 10 轴向应力分布 图 9 选点 634 （红点处） 2.3 应变及硬度
图 11 应变分布 图 12 硬度分布
2.4.1奥氏体变化
在淬火过程主要发生奥氏体向马氏体的转变，同时由于材料各个位置的冷却速度不同会伴随有奥氏体向贝氏体或者珠光体的转变，同时还有部分残余奥氏体存在。

图13 奥氏体含量变化 开始阶段淬火过程加热阶段使材料奥氏体化，奥氏体含量剧然上升，表面奥氏体含量 的上升速率比心部快，这是由于表面总是比心部优先加热，一段时间后表面和心部都达到奥氏体化后，奥氏体含量保持一定，冷却过程中奥氏体发生转变，下降曲线中表面和心部还是有微小差别的，表面奥氏体含量要比心部下降得稍微快一点，这也是由于冷却过程中，表面优先降温发生相变。

上面两图表示奥氏体转变的初始阶段和末态阶段奥氏体的分布，初始阶段只有表面的奥氏体含量下降，而心部及很大范围内的奥氏体含量基本不变，初始阶段相变只有在表面发生；末态阶段反而是表面很小深度范围内奥氏体含量相对心部较多，这些奥氏体均为残余的奥氏体，材料绝大部分奥氏体含量均降低到心部含量。

图 14 奥氏体初始 分布
图 14 奥氏体 末态 分布
2.4.2 马氏体变化
图 15 马氏体 变化
图 16 马氏体 含量 变化 曲线
从模拟图中可以看到，马氏体变化主要在表面及表面一定深度范围内，心部及材料绝大部分基本不含马氏体；从模拟马氏体含量变化曲线上可以印证模拟图中的结果，表面马氏体含量明显大于心部，心部也有一定的马氏体，但含量相对于表面而言就很小。

2.4.3铁素体变化
由于材料S5120钢是亚共析钢，所以其中还含有多余的铁素体存在，在淬火过程中也
铁素体变化曲线上刚开始时，由于材料奥氏体化，将多余的铁素体溶入到奥氏体中，因此曲线上铁素体的含量下降，同理也是由于表面优先加热，表面的铁素体含量下降得比心部快；冷却过程中由于发生马氏体转变，马氏体转变为非扩散性相变，因此多余的铁素体不能从奥氏体中析出，表面的铁素体含量就相对较少，相反心部马氏体转变相对表面较延迟，有足够的时间使得铁素体从奥氏体中析出，从而心部的铁素体含量较高。

图21上贝氏体变化 图22 下贝氏体变化
由于冷却过程中某些区域冷却速度低于临界速度，就会发生贝氏体转变，由于冷速的差别贝氏体转变可形成上贝氏体和下贝氏体两种；上贝氏体的冷速相对与下贝氏体而言要稍微低一些，从上贝氏体的变化曲线中可以看出表面的含量要比心部多，表面生成上贝氏体的冷速比心部更适合，而生成下贝氏体则不然，下贝氏体在表面的含量呈现波动的趋势，在心部含量一定；从模拟图上也可以看到上贝氏体的含量最大的位置主要存在于距离表面一定深度范围内区域，其次才是材料内部，而表面含量最少，这可以通过形成上贝氏体的冷速要求来解释，离表面一定深度范围冷速最适合上贝氏体生成，其次是心部，而表面由于冷速过快反
而不利于上贝氏体生成；对于下贝氏体而言也是如此，只是由于冷速比上贝氏体稍高，相关存在含量的变化：
图 17 铁素体 变化
图 18 铁素体 含量 变化 曲线
2.4.4 贝氏体变化
图 19 上贝氏体 含量 变化 曲线
图 20 下贝氏体 含量 变化 曲线
的区域推移，同样是距表面一定深度范围生成下贝氏体的含量最大，其次是向心部逐渐减少，表面也是由于冷速过大不利于下贝氏体生成。

珠光体只可能存在与淬火过程的加热阶段，加热时由于材料奥氏体化，珠光体转变为奥氏体，因此珠光体变化曲线上有一个突降，从模拟图上可以看到珠光体含量分布从表面向心部逐渐增加，轴向中间位置珠光体的含量最多。

以上的所有的相态转变均与加热过程的温度以及冷却过程的冷速有光，同时也与几何位置有关，几何位置影响热交换的速率。

结论
渗碳过程中碳含量变化的范围在距表面一定深度范围内，这一深度一般在1mm 以内， 材料绝大部分的碳含量变化较小。

模拟淬火过程中表面和心部的温度差别很小，几乎没有温差，这与实际过程不符合， 模型过于简化致使温度场的模拟出现比较大的误差。

淬火过程应力在轴向、切向、圆周向三个方向的变化开始均有一个剧烈变化阶段，随后保持稳定，最终会再次发生剧烈变化；由于表面的马氏体相变致使在轴向方向上心部为拉应力，表面为压应力；切向方向上心部与表面均为压应力，但表面压应力大于心部；圆周方向上与切向方向上类似。

淬火过程表面发生马氏体相变，而心部为发生，因此硬度在表面处最大，沿着靠近心部的方向硬度逐渐减小，心部硬度最小；马氏体相变也给表面带来最大的应变，应变大小分布成对称性，这是材料形状对称性的结果，应变最小的区域大致分布在矩形中间一个圆环区域处，出现这种结果的原因可能是材料内部变形协调的结果。

淬火过程除了马氏体相变，还有贝氏体转变，加热过程中还有铁素体和珠光体含量的变化；马氏体转变主要分布在表面区域，上贝氏体和下贝氏体转变含量最多均发生在距表面一定深度范围内的区域，随后向靠近心部区域逐渐减少，表面含量最少，区域之间的差别由冷速不同引起；加热过程中材料奥氏体化使铁素体含量骤减，最终铁素体含量有开始升高，马氏体转变致使心部含量比表面高，铁素体含量分布由表面向心部逐渐增多；加热过程奥氏体化也使珠光体的含量骤减，最终表面和心部的珠光体含量均很少，且含量相差很小，含量由表面向心部逐渐增多，与铁素体的规律基本一致。

2.4.5 珠光体变化
图 23 珠光体 含量 变化 曲线
图 24 珠光体 变化。