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。     

应力与相变相互作用对马氏体淬火残余应力的影响

本文进行了有关钢在马氏体淬火过程中应力与相变相互作用的实验研究，在此基础上提出了一种预测钢的马氏体淬火残余应力的较完整的数学模型。根据实测的材料参数用有限元方法对２６Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢圆筒形试件的淬火过程进行了计算分析，着重考察了相变塑性和应力诱导相变对残余应力形成的影响。结果表明，由本模型给出的残余应力预测值与实测值吻合较好，而不考虑相变塑性的模型实际上是不适用的，忽略应力诱导相变则倾向于在较大程度上低估淬火后的残余应力     

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。     

淬火温度对20CrMnTiH钢渗碳淬火后组织与残留应力的影响

根据过冷奥氏体等温转变曲线,建立了20CrMnTiH钢的组织转变模型;利用有限元软件中的热处理模块,对20CrMnTiH钢的渗碳淬火过程进行了有限元数值模拟;分析了不同淬火温度对渗碳淬火后的组织和残留应力的影响;并对渗碳淬火后的组织进行了金相试验分析。结果表明:模拟结果与试验结果相吻合,证明了20CrMnTiH钢相变模型的正确性;同时提出淬火温度在Ac_3温度以上时对组织转变的影响不大,降低淬火温度可以显著降低零件淬火后的残留应力。     

空心圆柱件内孔的淬火应力

为了分析空心圆柱件淬火时内孔开裂的原因,通过二次开发在Abaqus软件平台上建立了空心圆柱件淬火时温度场、组织场和应力场的三场耦合模型。基于数值模拟对空心圆柱件淬火时的热应力及相变应力(组织应力)进行了分析,并对冷却介质换热系数对内孔淬火应力的影响进行了研究。结果表明：薄壁件在水淬后内壁表层及次表层的残余应力均为拉应力,厚壁件在经水淬后内壁和外壁表面残余应力均为压应力,内外壁的中间位置为拉应力;厚壁件内壁的最大拉应力在冷却过程中出现;引起薄壁件和厚壁件内壁开裂的原因是相变应力。通过分析空心件内孔淬火应力的影响因素并结合实际情况,提出了降低圆柱件内壁淬火应力的工艺方法。生产实践表明：基于数值模拟设计的淬火工艺未出现淬火开裂现象,并且材料的各项力学性能满足要求。     

7075铝合金锻件淬火热处理有限元模拟

采用Deform-3D有限元软件,对7075铝合金锻件淬火热处理过程进行了数值模拟,讨论了固溶温度及淬火介质温度对淬火后残余应力的影响。结果表明:残余应力呈现表层受压、芯部受拉的分布;通过提高淬火介质温度或降低固溶温度可降低材料在淬火过程中产生的残余应力。     

基于热和相变应变模型的齿轮合金钢渗碳淬火畸变分析

目的研究热和相变应变各自在渗碳淬火畸变中的作用,分析渗碳淬火工艺对齿轮合金钢畸变的影响。方法通过考虑相变和不考虑相变两种模型,对齿轮合金钢17CrNiMo6C形开口畸变试样渗碳淬火的畸变机理和变形过程进行数值模拟,并设计正交试验,量化工艺参数对畸变的影响程度,最后利用渗碳淬火实验测定表面含碳量和畸变量,验证分析结果。结果初始工艺下热应变约为相变应变的2倍。正交试验各工艺参数的F比结果从大到小顺序为:渗碳温度(1.74)、淬火温度(1.546)、碳势(1.448)、预热温度(0.603)和油温(0.473)。优化工艺参数为:渗碳温度880℃,淬火温度790℃,预热温度500℃,碳势0.8%,油温80℃。优化后畸变率减少了28.5%,畸变分析结果与实验结果对应较好。结论由热膨胀引起的热应变对试样的畸变占据主动,抵消并超过相变应变,渗碳温度、碳势和淬火温度对齿轮合金钢畸变影响较大。     

异种材料淬火过程的有限元模拟

钛合金扩散焊接轴承钢材料由于含有钒、铜、镍中间层,在淬火过程中容易从多层材料界面处开裂.因此利用纳米显微力学探针测量了材料的弹性模量,然后采用ANSYS有限元软件对淬火中钛合金焊接轴承钢材料进行了有限元(FEM)模拟,根据得到的温度场以及应力场分布,找出了容易诱发界面处产生裂纹的原因.模拟表明淬火初期由于整体材料发生收缩而引起整体热应力的增加,淬火后期由于轴承钢发生马氏体相变,轴承钢体积开始膨胀,组织应力相应增加,抵消了一部分热应力的值,最终部件的残余应力是这两种应力共同作用的结果.高的淬火温度,增加了淬火过程中试件内部的应力值,容易引起过渡层处产生微裂纹从而导致局部开裂,因此,合适的淬火温度应取在830～860℃范围内且尽可能取偏其下限.     

雾化气体淬火残余应力的有限元模拟与实验研究

雾化气体淬火是一种新型的热处理工艺。本文针对45钢试件在雾化气体淬火时的应力,应用有限元软件ANSYS对其淬火过程的温度场和应力场进行耦合模拟分析,分析考虑了材料在不同温度下的热物性参数,得到了淬火后残余应力的大小与分布规律。采用钻孔法实测了试件的残余应力。对数值模拟结果与实验结果进行对比,结果表明,淬火残余应力的有限元数值模拟计算和实验结果较吻合。     

温度和相变影响的弹塑性本构关系及应用

通过考虑温度和相变对等效物性参数的影响,建立了包含附加应力和应变的弹塑性增量本构关系,并采用该本构关系和ABAQUS软件构建了淬火过程的数值模拟平台.该本构模型引入的附加应力和应变分别由温度变化和相演化引起的.具有明确的物理意义.通过对26Cr2Ni4MoV钢的圆筒零件水淬过程的模拟表明,该模型能够正确地分析残余应力沿半径方向的分布规律.并且在截面中间部位残余应力值和靠近外表面的应力峰值与实测值更加接近,说明全面考虑温度和相变影响的弹塑性增量本构关系可改善模拟计算的精度.     

淬火工艺有限元模拟中弹塑性比例系数的计算方法

淬火过程是一个温度、相变、应力应变相互影响的材料非线性过程。根据淬火过程的特点,提出了一种新的计算弹塑性比例系数的方法,使用该方法可以求解过渡单元的弹塑性比。在模拟过程中,为了提高计算精度、减少计算时间,提出了两种加速弹塑性比例系数收敛的方法:弹性逼近法和插值方法。应用弹性逼近法和插值方法对无相变冷却过程和有相变冷却过程进行有限元模拟,将模拟所得应力变化曲线与实验结果相比较。结果表明,弹性逼近法和插值方法可以显著减少弹塑性比例系数的迭代次数,计算得到的应力值与实验结果吻合较好。     

用有限元方法分析无缝钢管的淬火残余应力

利用有限元分析软件MSC.M arc模拟无缝钢管淬火过程,分析了淬火残余应力的分布情况,得到了残余应力按照温度梯度沿半径方向分层分布的规律。研究了在改变加热温度和冷却速度的情况下,淬火残余应力的变化规律,达到减小淬火过程中产生的残余应力,提高无缝钢管的机械性能,寻求最优淬火条件的目的。     

Modeling of numerical simulation and experimental verification for carburizing-nitriding quenching process

A model considering quantitative effects of diffused carbon and nitrogen gradients and kinetics of phase transformation is presented to examine metallo-thermo-mechanical behavior during carburized and nitrided quenching. Coupled simulation of diffusion, phase transformation and stress/strain provides the final distribution of carbon and nitrogen contents as well as residual stress and distortion. Effects of both transformation and lattice expansion induced by carbon and nitrogen absorption were introduced into calculating the evolution of the internal stress and strain. In order to verify the method and the results, the simulated distributions of carbon and nitrogen content and residual stress/strain of a ring model during carburized and nitrided quenching were compared with the measured data.     

时间步长对淬火过程温度场和组织场模拟精度的影响

淬火过程是一个温度、相变、应力应变相互影响的高度非线性过程,在用有限元方法计算温度场和组织场时,极易造成数据振荡现象.本文针对淬火过程温度场的特点,为了尽量提高温度场和组织的计算精度,使用集中热容矩阵、网格细化和自适应时间步长的方法,编写了淬火过程有限元模拟程序,并提出了一种控制模拟时间步长的方法--基于最大和最小温差的自适应步长,该方法是用前一步模拟得到的温度场与当前步模拟所得的温度场的差值控制模拟时间步长.用编写的程序对轴对称零件进行有限元模拟,从模拟结果的对比中可以看出,基于最大和最小温差的自适应步长方法不但可以避免数据振荡和提高模拟精度,而且可缩短计算模拟的时间.     

圆锯片淬火过程中的应力分析及工艺参数优化

针对φ600 mm圆锯片淬火后变形大、影响圆锯片使用性能的问题,基于数值计算法分析其淬火残余应力的分布特性。分析结果表明:在整个淬火过程中,圆锯片淬火有效残余应力表现为拉应力;淬火结束后,中心孔附近的应力最大,其次为外圆齿附近的应力,中心孔与外圆齿中间位置的应力最小。以淬火奥氏体形成温度和保温时间为优化变量,淬火残余应力为优化目标函数,用响应曲面优化法对圆锯片淬火参数进行优化。优化结果表明:当奥氏体形成温度837℃,保温时间5 min时,最低残余应力为199 MPa。      

复杂薄壁壳体淬火过程的数值模拟

采用ANSYS有限元软件对复杂薄壁壳体淬火过程温度场和应力场进行了数值计算,将通过有限元法计算的工件外表面畸变量与实测值进行了对比.结果表明,复杂薄壁壳体在淬火过程中,沿工件厚度方向温度分布不均匀,吊具底板对温度场有明显影响;工件淬火后残余应力和应变主要分布在球冠形罩子附近以及两个球冠形罩子之间的过渡段;有限元法计算的工件外表面畸变量与实测值基本吻合,从而验证了有限元模型.研究结果有助于复杂薄壁壳体淬火工艺制订及淬火应力和畸变规律的认识.