相变对22CrMo钢淬火应力影响的数值模拟

利用有限元法和热弹塑性理论,结合马氏体相变动力学方程,对22CrMo钢圆柱体试样在淬火过程中的温度场、组织场和应力场进行数值模拟分析,重点模拟分析了试样表面和心部在淬火过程中应力的变化及马氏体相变对淬火应力的影响。模拟发现,相变对淬火应力影响比较明显。在一定条件下,在油中淬火,组织应力对淬火应力分布的影响要远大于热应力的影响,最终试样的淬火残余应力将以表层为拉应力而心部为压应力的组织应力形式存在。通过对残余应力的测量结果表明,计算结果与实测值相吻合。     

大型锻件水空交替淬火过程的数值模拟

建立了33N iCrMoV14-5钢淬火过程温度-组织-应力耦合的数学模型,用自主有限元软件模拟了淬火过程中锻件温度场、组织场、应力场的演化过程,对不同的淬火工艺进行了比较。模拟结果表明水冷-空冷交替的淬火工艺可改善锻件表面附近的淬火应力状态,同时获得足够的心部冷速。对锻件内部应力场的计算表明水空交替淬火中,相变对应力场变化的影响大于热应力。     

高碳钢盘条斯太尔摩冷却相变研究

研究高碳钢盘条在斯太尔摩线上各阶段的相变过程至关重要。异常组织最易在盘条心部产生,但盘条心部温度与相变过程数据无法在生产中直接获得。设计试验模拟了斯太尔摩风冷过程,测定了不同冷却条件下盘条表面与心部的温度变化曲线,分析了表面与心部冷却的差异,进而通过淬火试验研究了不同风冷下的相变过程。结合斯太尔摩模拟试验结果与热模拟试验,分析了高碳钢盘条常见异常微观组织产生的原因,并提出了控制方法。     

激光热处理

正激光热处理,也称激光淬火或激光相变硬化,是利用高功率、高密度激光束(104~105W/cm2)对金属进行表面处理的方法。它可以对材料实现相变硬化(表面淬火、表面非晶化及表面重熔淬火)、表面合金化等表面改性工程,产生用其他表面加热淬火强化达不到的表面成分、组织及性能的改变。由于激光热处理具有高速加热、高速冷却,获得的组织细密,硬度高,耐磨性能好,淬火部位可获得大于3920 MPa的残余     

大型球磨机用高性能轧制钢球的热处理

研究了B3钢球生产过程中加热温度、淬火温度及回火工艺对其组织性能的影响,并对试制钢球进行了抗冲击检测。结果表明,在980～1080℃加热温度下,B3钢淬火后组织为马氏体+残留奥氏体,当加热温度达到1080℃时,马氏体组织尺寸超过20μm,钢球的硬度、冲击性能有所下降。B3钢适宜的加热温度在980～1030℃之间。在相同加热条件下,随着淬火温度升高,钢球中残留奥氏体的含量有所下降,钢球内部片状马氏体逐渐增多。淬火温度为750～780℃时,钢球内部出现片状马氏体+板条马氏体的混合组织,硬度、冲击性能最佳。经冷却低温回火处理后,钢球组织为回火马氏体,从表面到心部几乎不存在硬度差,同时冲击性能与未回火相比得到大幅提升。大直径?125 mm轧制钢球最适宜的热处理工艺为：加热温度为980～1030℃,淬火温度为750～780℃,待钢球表面冷却至50℃后进行低温回火处理。试制钢球经9 m高,落球次数>29 000次落球试验后,钢球表面仍保持良好,满足大型球磨机的用球要求。     

40Cr球销热处理数值模拟及实验验证

本文利用Deform-3d软件对40Cr球销的淬火过程进行了数值模拟,预测40Cr球销在淬火过程中的温度场、相变、应力场等的变化情况,并进行了实验验证,实验结果与模拟结果相吻合。结果表明:淬火过程中,表面先到达马氏体转变点,心部最晚开始马氏体转变,球销基本淬透;在热应力和组织应力的综合作用下,淬火初期表面为拉应力,中期表现为压应力,淬火末期又转变为拉应力,心部应力的变化与表面正好相反。     

高强钢汽车转向节淬火组织转变

为模拟高强钢转向节淬火后的微观组织和硬度分布,使用Jmatpro软件计算了42CrMo钢的热物性参数和等温转变曲线,获得了42CrMo钢的珠光体、贝氏体、马氏体转变动力学模型参数。基于Comsol软件建立了42CrMo钢淬火过程的传热、相变多场耦合有限元分析模型,模拟了转向节在PAG(聚烷撑乙二醇水溶液)中淬火冷却的过程,获得了温度、微观组织和硬度分布。分析了锻件杆部淬火后的硬度和显微组织,并与模拟结果进行对比。模拟结果表明：锻件杆部表面主要为82.1%的马氏体和17.9%的贝氏体,硬度为31.9 HRC,心部主要为15.9%的马氏体、72.5%的贝氏体、9.1%的铁素体和2.5%的珠光体,硬度为26.8 HRC。试验测得的锻件表面硬度最高为32.0 HRC,心部硬度最低为26.4 HRC,表面的组织为短板条状马氏体和部分粒状下贝氏体,心部为针状马氏体、羽毛状上贝氏体和铁素体,模拟结果与试验结果基本吻合,表明建立的多场耦合有限元分析模型能准确预测高强钢转向节锻件淬火微观组织和硬度分布。     

淬火过程中温度、组织及应力/应变的有限元模拟

为了找到淬火过程中零件产生不规则扭曲变形的原因,选择了H型截面零件为研究对象,建立了相应的有限元分析模型,利用自开发的淬火过程有限元模拟软件对温度、组织和应力/应变进行了耦合分析.通过有限元模拟,得到了温度变化、相变及相变塑性对残余应力及淬火变形的影响,给出了零件内部弹性区及塑性区的演变过程.分析结果表明:零件在淬火过程中经历"弹性-塑性-弹性-塑性-弹性"的演变过程;在淬火过程中,相变塑性导致零件发生不均匀、无规律的扭曲变形.     

淬火过程应力/应变场有限元模拟关键技术研究

针对淬火过程应力/应变场的特点,给出了淬火过程弹性区、塑性区的应力应变关系。根据淬火过程热物性参数及组织转变的特点,给出了处于弹性区和塑性区的单元应变增量表达式,及热应变、相变应变、相变塑性等初应变的计算方法。给出了热弹塑性问题有限元变分方程、变分方程右端列向量的计算方法及适用于淬火过程的迭代收敛准则。编写了淬火过程有限元模拟程序,并用该程序模拟了圆柱试样的淬火过程,将模拟所得结果与实验结果相比较可以看出,模拟结果与实验结果吻合较好。     

Q&P钢热处理过程有限元法数值模拟模型研究

以国内典型淬火-分配(QP)高强钢——QP980钢为例,进行热处理全过程物理模拟研究,提出一种耦合温度及时间影响的类蠕变应变方程用以描述材料在QP热处理分配过程的体积变化,建立考虑淬火温度影响的QP热处理两次淬火过程相变动力学方程、相变应变及相变塑性方程,获得了QP钢各相的热膨胀系数。根据温度场、组织场、应力场三场耦合原理,基于物理模拟得到的弹塑性增量本构模型,对商业有限元软件ABAQUS用户子程序进行二次开发,建立了针对QP热处理全过程的三场耦合数值仿真模型;通过Gleeble热-力模拟试验机上的QP热处理实验对模型进行了实验验证,实验结果与数值模拟结果吻合良好。     

6CrW2Si钢制镶条淬火过程温度场数值模拟及试验

折弯模镶条淬火冷却时温度的瞬态分布特性对于研究6CrW2Si钢淬后变形机理有重要作用。考虑热物性参数、对流换热等因素随温度变化的影响,推导相变潜热转换为等效比热的定量解析并写入程序,建立了淬火过程三维温度场的非线性瞬态数学模型。通过金相观察、XRD物相分析和显微硬度测试方法对6CrW2Si钢镶条组织成分进行了试验研究。结果表明:表面换热边界条件和热传导两因素在不同时刻对零件的冷却速度交替起主导作用;65 s左右时马氏体转变所释放的潜热使得冷却速度有较大幅度降低,心部较表面所受影响大;冷却过程中镶条横截面的温度场由两表面交接处至心部呈梯度分布;零件只发生马氏体转变,且被淬透,最终得到的组织为马氏体+残留奥氏体+碳化物。     

大直径锻造耐磨钢球的热处理工艺

采用二次加热淬火和低温回火工艺改善?120 mm锻造耐磨钢球的使用性能,研究了二次加热淬火工艺中不同升温速率和淬火冷却时间对钢球硬度分布、冲击性能和显微组织的影响.得出钢球的最佳热处理工艺为:以2.8℃/min的速率升温至840℃并保温1 h,出炉空冷至800℃后淬入35℃水中冷却350～400 s,然后出水空冷至80...     

H13钢相变规律及其模具的真空热处理数值模拟

以H13钢热作模具真空淬火热处理组织演化预测数值模拟为目的,采用DIL805L热膨胀仪对H13热作模具钢进行连续冷却相变试验,结合显微组织和硬度绘制H13钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线)。研究了不同冷速对试样显微组织和硬度的影响,对Koistinen-Marburger方程中相变因子进行拟合,研究了H13钢的相变规律。结果表明,马氏体转变的临界冷速为1 ℃/s,Ms点为335 ℃,随着冷速增大,试样硬度直至增大到660 HV。将拟合后的马氏体相变方程通过二次开发手段导入有限元软件中开展数值模拟计算,计算结果显示H13钢模具不同取样点处马氏体体积分数为90%,可认为真空气淬后H13钢模具的组织为马氏体和残留奥氏体。     

U76CrRE钢轨热处理过程组织控制及性能

通过对U76CrRE钢轨热处理时的冷却工艺进行优化,消除了钢轨脱碳层中的异常上贝氏体组织。对异常组织产生的原因进行了分析,提出了U76CrRE钢轨的最佳热处理工艺。在分段冷却过程中,U76CrRE钢轨的强冷介入温度在568 ℃。钢轨内部相变潜热与表面急冷层容易在钢轨脱碳层内形成等温层,是异常上贝氏体组织产生的温度条件;同时,钢轨近表面晶界处严重脱碳为上贝氏体组织形成提供了化学成分条件。U76CrRE钢轨的最佳热处理工艺为淬火开冷温度780 ℃,淬火时间120 s(20 s+100 s),淬火终冷温度控制在410 ℃,返温温度控制在540 ℃。     

Using simulation for heat treatment process design: matching quenching process with steel grade and product geometry

Abstract

The performance of steel parts is heavily dependent on the heat treatment process applied. The alloy content of the steel establishes the steel hardenability. The severity of the quenching establishes the local temperature history throughout the body of the part. In combination, the steel hardenability and the quenching process determine the final microstructure, mechanical properties, residual stress state and the performance of the part. The residual stress state, especially the surface stress state, is a significant factor in affecting fatigue life of the part. The steel hardenability and quenching practice can be adjusted to enhance residual surface compression and improve the fatigue life of a component. Computer simulation of the heat treatment process that includes calculation of the metallurgical phase transformations during the heating and cooling processes offers a method for scientifically designing the heat treatment process and selecting the steel alloy to optimise the performance of a particular product. In this paper, the DANTE heat treatment simulation software will be used to demonstrate this design methodology for a spur gear.     

淬火冷却工艺对F460钢调质厚板组织与性能的影响

对120 mm厚的F460钢调质厚板采用相同的淬火回火温度,不同的淬火冷却速度处理,之后对钢板进行组织与性能对比,寻找该钢种的最佳热处理工艺。采用2 ℃/s冷速进行冷却的钢板,回火后强度最高,但是冲击性能不佳;适当降低淬火冷却速度后,钢板回火后强度有一定下降,但是冲击性能得到明显提升;继续降低淬火冷却速度,钢板回火后强度进一步下降,但是冲击性能提升有限。经组织分析,2 ℃/s冷速进行冷却淬火时,钢板回火后的组织为铁素体+贝氏体组织,组织中主要是贝氏体;冷却速度降低以后,钢板回火后组织为铁素体+退化珠光体组织,铁素体含量的增加,有利于钢板韧性的提升,残留奥氏体回火后形成的珠光体组织比较细小,能有效保证钢板的强度。通过对钢板的连续冷却转变曲线进行分析,钢板在冷却过程中先开始进行铁素体相变,溶质元素向奥氏体迁移。在钢板冷速较快时,铁素体中的碳化物迁移较少,奥氏体低温时转变成马氏体或者贝氏体;在钢板冷速较慢时,碳化物迁移到奥氏体内,提高奥氏体稳定性并保留到室温,形成残留奥氏体。残留奥氏体在后续的高温回火过程中,转变成珠光体。块状转变形成的铁素体组织与回火过程中形成的细小珠光体有利于钢板的强韧性匹配。     

大长径比薄壁壳体零件真空气淬畸变行为的数值模拟

建立了30Cr3SiNiMoVA钢大长径比薄壁壳体零件的金属-热-力耦合有限元数值分析模型,通过反传热计算获得了壳体不同位置表面综合换热系数曲线,研究了真空气淬过程中薄壁壳体零件的温度场和组织场的演变规律,并对其畸变行为进行了详细分析。研究表明:同一换热面上的冷速大小为薄壁部位>顶部>台阶部位,且阳面的温度变化更为剧烈;应力演变曲线均出现两个峰值,第一个峰值是由温度差异导致的热应力引起的,第二个峰值是由马氏体转变产生的组织应力引起的;淬火之后,阳面高度增加了2.08 mm,增加幅度为0.082%,阴面高度增加了2.33 mm,增加幅度为0.092%,薄壁位置处外径增加了0.81 mm,增加幅度为0.270%,台阶位置处外径增加了0.57 mm, 增加幅度为0.186%。实测结果与模拟结果相符,误差小于10%。     

基于模拟的热处理工艺设计:使淬火工艺与钢种和产品几何形状相匹配

钢铁零件的性能主要决定于所采用的热处理工艺。钢的淬透性决定于合金元素含量,而淬火烈度确定了整个零件中不同部位的温度随时间变化过程。总的来说,零件最终的组织、力学性能、残余应力状态和服役性能均取决于钢的淬透性和淬火工艺。残余应力状态,特别是表面应力状态,是影响零件疲劳寿命的重要因素,可通过控制钢的淬透性和淬火工艺来提高零件的表面压应力,从而提高疲劳寿命。热处理工艺的计算机模拟,包括加热和冷却过程中的相变的计算,提供了一种科学地进行热处理工艺设计、钢种选择以优化某一特定产品性能的方法。本文采用热处理模拟软件DANTE来论证这种设计方法在正齿轮上的应用。     

OD1422 mm的X80级管线钢SH-CCT曲线测定与分析

采用Gleeble3500热-力学模拟试验机,对外径为φ1422 mm的X80管线钢焊接热影响区(HAZ)在不同冷却速度下的热循环过程进行了模拟,利用热膨胀法绘制模拟焊接热影响区连续冷却组织转变曲线(SH-CCT);结合光学显微组织和硬度测试等分析手段,研究了φ1422 mm的X80管线钢在不同冷却速度条件下焊接热影响区的组织变化规律。结果表明,冷却速度对X80管线钢的相变行为和微观结构具有显著影响。当冷却速度为1 ℃/s时,组织转变为贝氏体;当冷却速度达到7 ℃/s时,开始产生马氏体组织;当冷却速度为20 ℃/s时,组织内较高位错密度的板条贝氏体较多,组织晶粒较小。当冷却速度在7~20 ℃/s之间时,X80管线钢热影响区的显微硬度和冲击性能都大于母材。     

基于H13钢水淬在线监测的热处理数值模拟优化

为准确预测厚度较厚的H13钢热处理过程中的温度场和淬火残余应力,对规格为φ300 mm×350mm的H13钢工件进行淬火实时温度监测,分别设置了位于芯部、亚表面(离外表面10 mm)、1/3R(离圆心50 mm)和2/3R(离圆心100 mm)处的监测点。考虑钢/水对流换热系数受沸腾条件和热辐射的影响,对对流换热系数h进行了优化。结果表明各个温度监测点的试验结果与计算结果相符,证明经过优化后的对流换热系数可应用于大截面尺寸工件温度场的预测。模拟工件淬火后的应力场并结合显微组织观察发现,淬火在750 s前后出现芯部、表面最大的拉压峰值应力差,证明大尺寸工件淬火存在淬火危险期。