C型环试样淬火及深冷处理应力演变的数值研究

发布时间：2019-09-09 17:51

【摘要】：基于金属-热-力耦合理论,建立了C型环试样淬火和深冷处理的多物理场耦合数值模型,探讨了淬火和深冷处理过程中试样冷却行为和组织转变对其应力演变和分布的影响。研究表明:淬火和深冷处理过程中,由于C型环试样不同部位的冷却行为差异,导致温度变化和组织转变呈现非同时性。淬火和深冷处理后,试样残留奥氏体的含量分别为15.5%和2%左右,与实验测试结果吻合。在淬火过程中,试样等效应力变化曲线先后出现两个峰值,其中第一个应力峰值是由于试样心表温差引起的热应力所致,第二个应力峰值与试样心表组织转变的非同时性引起的组织应力密切相关;在深冷处理过程,试样心表温差和心表奥氏体体积分数差峰值出现的时间基本保持一致,且比淬火过程小两个数量级,导致试样的等效应力变化相比淬火过程要平缓得多。相比于淬火过程,深冷处理后试样残余应力的分布状态未发生明显改变,但试样的整体应力值有所下降,尤其是在缺口和最大壁厚附近残余应力得到释放。
【图文】：

明显影响，因此C型环试样成为研究热处理应力分布和变形的常用工件。本文选用的C型环试样，其轮廓及尺寸如图1所示，其中试样的外圆半径(R1)、内镗孔半径(R2)、缺口宽度(d)、厚度(l)和最大壁厚(h)分别为31.75、18.40、6.35、12.70和23.73mm。C型环试样所用材料为SDC99冷作模具钢，该钢是在传统的Cr12MoV冷作模具钢的基础上进行成分设计和优化后自行开发出的新型高强韧性、高耐磨Cr8系冷作模具钢。与传统Cr12MoV相比，其降低了C和Cr的含量，，提高Mo和V的含量，综合性能获得明显的提高，其化学成分如表1所示。图1C型环试样几何形状示意图Fig．1GeometryanddimensionsofC-ringspecimen表1SDC99冷作模具钢的化学成分(质量分数，%)Table1ChemicalcompositionsofSDC99coldworkdiesteel(massfraction，%)SteelCSiMnCrMoVPSFeSDC990.910.510.308.861.470.30.010.0008Bal．249

材料热处理学报第36卷SDC99冷作模具钢C型环试样热处理工艺路线如图2所示，主要分为油淬、液氮深冷处理和空气中自然复温3个阶段。首先将C型环试样加热至1040℃进行奥氏体化，保温30min，然后进行油淬至室温(20℃)，随后将试样直接浸入工业液氮中，并使用双层保温罐密封置于阴凉处，进行深冷处理，待试样冷透后(－196℃)取出，放置在室温条件下自然复温。图2热处理工艺路线示意图Fig．2Schematicdiagramofheattreatmentprocess2淬火及深冷处理过程的数值模拟本文采用DEFORM湫有限元分析软件，基于金属-热-力耦合理论框架，建立C型环试样油淬和深冷处理的数值模型，如图3为C型环试样的三维有限元计算模型。为了确保模拟精度，节约计算资源，采用细小的四面体实体单元对试样几何模型进行网格划分，单元和节点总数分别为50042个和10294个。为了保证试样在油淬和深冷处理过程中能够完全冷透，设置油淬的模拟时长为1800s，液氮中深冷处理的模拟时长为400s，以温度作为边界进行控制，时间步长增量范围为0.001～10s。在C型环试样油淬和深冷处理的有限元数值建模过程中，涉及的关键技术如下:1)在模拟过程中，室温和淬火油温度均设为20℃，液氮温度设为－196℃;2)在油淬和深冷处理过程中，SDC99冷作模具钢的物性参数，如热导率、比热容和弹性模量等被看作为温度的函数，并通过试验实测获取，具体内容可参考作者前期工作［27］;3)在相变模型的建立过程中，SDC99冷作模具钢被看作由奥氏体、珠光体、贝氏体和马氏体的复合图3C型环试样的三维有限元模型Fig．3Three-dimensionalfiniteelementmodelofC-ringspecimen相组成，各相的热膨胀系数及相变潜热等参数均来自参考文献［22］;4)为了对C型环试样在淬火及深冷处理过程中
【作者单位】： 上海大学材料科学与工程学院;高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室;
【基金】：国家青年科学基金(51401117) 国家自然科学基金(51171104) 上海大学创新基金
【分类号】：TG155

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本文编号：2533763