轴类锻件热处理工艺的数值模拟与试验验证

发布时间：2020-05-07 13:55

【摘要】：热处理是金属热加工过程中的一道重要工序,对提高材料性能有着重要的作用。而热处理过程是一个多场耦合的复杂过程,有很多现象难以用单纯的理论解析或试验来处理。例如在淬火过程中,工件内部温度分布不均匀、相变不同时等会产生不同的组织和应力分布,不仅会影响到零部件的性能,甚至可产生淬火裂纹致使报废。所以对淬火过程的深入理解和准确控制对于提高机械零件的产品质量有着重要意义。计算机技术的进步和热处理相关学科的发展为热处理过程的数值模拟奠定了坚实的基础。本文以传热学和相变动力学为基础,建立了描述轴类锻件淬火过程的数学物理模型,用有限元模拟软件Deform-3D分析了 42CrMo和42CrMo+Ni两种钢淬火过程的温度场、组织转变、应力场、硬度变化,并对两者的热处理过程进行了比较。选择这两种材料的原因是:42CrMo具有比较完整的热处理数据库,作为模拟的验证材料。42CrMo+Ni是在42CrMo钢基础上添加少量Ni以提高淬透性和综合力学性能,用于大型轴类锻件(如风电主轴等)的一种新型钢材,但基础的热处理数据和工艺模拟工作匮乏,通过计算模拟建立其热处理数据库,并进行工艺模拟。这些工作将为42CrMo+Ni这种新型钢材的热处理工艺优化和性能优化打下良好的基础,具有重要的工程意义。利用JMatPro软件计算了 42CrMo钢过冷奥氏体等温转变曲线(TTT图)、马氏体转变开始点(Ms)、热物性参数和力学性能参数如泊松比、弹性模量、热膨胀系数,与已有的试验数据进行对比,验证了模型的可靠性。在此基础上,计算了42CrMo+Ni钢的TTT图、Ms点以及力学性能参数,建立了较完善的42CrMo+Ni钢热处理数据库。模拟了 42CrMo和42CrMo+Ni的顶端淬火过程并进行了试验验证,模拟结果与试验结果吻合较好,建立了 42CrMo+Ni的淬透性曲线。结果表明:喷水端温度下降最快,随着距喷水端距离的增大,温度下降的越来越慢。随着距喷水端距离的增大,马氏体转变开始时间延后,转变量也逐渐减少。端淬初期未开始相变前,近喷水端表现为拉应力,当近喷水端首先开始马氏体转变时,体积膨胀使拉应力状态变为压应力状态,继续冷却,近喷水端变成拉应力,组织应力与热应力的共同作用又使拉应力逐渐减小,最后又变为压应力。在相同的淬火条件下,工件相同位置处,42CrMo+Ni的硬度高于42CrMo。模拟了轴类锻件的水淬和油淬过程,并结合金相组织和硬度进行了验证,建立了组织与硬度对应曲线,模拟结果与试验结果基本吻合。分析表明:工件表面和内部的冷却速度不同。换热系数越大,工件冷却的越快。试样尺寸不大时(Φ≤60mm),42CrMo+Ni钢水淬以及油淬过程中均没有珠光体和铁素体的转变,只有少量贝氏体产生,大部分为马氏体,油淬产生的贝氏体的含量高于水淬的。在淬火开始阶段(相变开始前),表面承受拉应力心部受压应力,随后表面开始发生马氏体转变,使表面的应力状态迅速由拉应力转变为压应力,随着温度的降低,转变区开始向内部推移,近表面到达马氏体转变开始点,近表面的相变削弱了表层的压应力,心部也由于近表面的体积膨胀,受到的拉应力也迅速升高。随着温度的持续降低,心部也开始马氏体转变,使心部所受的拉应力逐渐降低,并转变为压应力。组织转变完成后,应力的变化基本只受温度的影响,应力值大小有所变化。
【图文】：

淬火过程,耦合关系,工件温度,淬火介质

图１－１淬火过程中多场互相耦合关系图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄ邋ｃｏｕｐｌｉｎｇ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｍｅｔａｌ邋ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑图１－１中，（１）、（２）为淬火介质的温度场和流场与工件温度场的相互影响和逡逑作用。逡逑（３）

硬度计,金相显微镜,试验设备,金相试样

试验材料与研究方法逡逑４７１Ｎ，加载时间大约６－７ｓ。在试样上打点，取其平均值后得到材料的洛氏硬度逡逑。逡逑．２．２金相试样的制备与观察逡逑（１）加工试样：用线切割机加工所需的金相试样；逡逑（２）磨制试样：先用粗砂纸对试样进行磨制，再对试样进行细磨。每换一道逡逑纸时需将试样旋转９０邋°将上道砂纸磨出的划痕磨掉；逡逑（３）抛光：用Ｐ－２型金相试样抛光机对金相试样抛光；逡逑（４）腐蚀：试样采用３％硝酸酒精溶液进行腐蚀。逡逑（５）金相组织观察：将腐蚀后的金相试样用尼康ＥＰＩＰＨＯＴ３００金相显微镜进逡逑组织观察。显微镜实物如图３－ｌ（ｂ）所示逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG316;TG162

【参考文献】