偏心度對C型環淬火和深冷處理的數值研究范文

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《上海金屬雜志》2016年第3期

摘要：

建立了不同偏心度C型環試樣淬火和深冷處理過程的數值模型，探討了偏心度對C型環試樣淬火和深冷處理過程中組織和應力演變的影響。研究表明，在淬火過程中，偏心度越大，試樣中殘留奧氏體組織分布的不均勻性越明顯。深冷處理后，試樣中奧氏體分布的不均勻性得到顯著改善，偏心度越小，改善效果越明顯。深冷處理使試樣中殘留奧氏體含量減少了約14%。隨著偏心度的減小，試樣應力演變曲線上的應力峰值發生變化，影響應力峰值的主導因素由熱應力轉變為相變應力。相比淬火過程，深冷處理過程中的應力演變要平緩得多。無論是淬火還是深冷處理，試樣的偏心度越小，其殘余應力的分布越均勻。

關鍵詞：

偏心度；C型環；深冷處理；殘留奧氏體；殘余應力；數值模擬

金屬零部件在淬火時產生的瞬時應力和最終的殘余應力將影響其靜載強度、尺寸穩定性及疲勞強度等，不適當的殘余應力甚至可能導致零部件變形和開裂［1－2］。深冷處理(DCT，－196℃)作為常規熱處理的延續，不僅能夠改善材料的組織和性能［3］，而且能提高材料的尺寸穩定性，減少變形［4］。這主要是因為深冷處理能使奧氏體充分轉化為馬氏體，促進超細碳化物的析出，改變零件的淬火應力狀態等［5－7］。近年來，國內外涌現出不少關于深冷處理改善零件殘余應力分布的研究，例如，呂雁文等［8］測試了W6Mo5Cr4V2高速鋼試件不同工藝熱處理后的殘余應力，研究了深冷處理對殘余應力的影響;韓曉君等［9］采用深冷處理調整磨削表面的殘余應力，以期探索出一種調整磨削表面殘余應力的新工藝;李根［10］采用有限元軟件對高速鋼絲錐攻TC4鈦合金的過程進行數值模擬，比較經深冷處理和未經深冷處理的絲錐對鈦合金攻絲后殘余應力的變化情況;Lados等［11］引入深冷處理工藝以減少Al-Si-Mg系鑄件熱處理后的殘余應力，并提出了控制殘余應力的方法;Bensely等［7］采用XRD分析了常規熱處理、淺冷處理(Shallowcryogenictreatment，SCT，－80℃)以及深冷處理(DCT)對En353鋼滲碳層殘余應力分布的影響;同時，Bensely等［12］也評價了常規熱處理、淺冷處理以及深冷處理對En353鋼回轉彎曲疲勞性能的影響，揭示了它們不同的斷裂機制;Senthilkumar等［13］研究了深冷處理對4140鋼殘余應力狀態的影響，并認為采用深冷處理有利于形成殘余壓應力。盡管近年來對零件熱處理瞬時應力的控制和殘余應力分布規律的研究已引起了廣泛的關注［14－16］，但由于淬火和深冷處理的復雜性，其在生產過程中的控制和應用仍然有限。本文采用DEFORM軟件建立了C型環試樣淬火和深冷處理過程的多場耦合數值模型，研究偏心度對C型環試樣淬火和深冷處理過程中組織和應力演變的影響規律，預測C型環試樣殘留奧氏體和殘余應力的分布狀態，并采用X-ray衍射儀分別對殘留奧氏體及殘余應力進行標定，以期為深冷處理的工藝研究提供指導。

1試樣形狀及熱處理工藝

為了研究偏心度對C型環試樣淬火和深冷處理過程中溫度場、組織場和應力/應變場的影響規律，選用三種不同偏心距的C型環試樣，其幾何尺寸和形狀如圖1所示。偏心C型環試樣的整體尺寸一致，其外圓直徑、內鏜孔直徑、缺口寬度和厚度均相同，分別為31．75、18．40、6．35mm和12．70mm。它們之間的差異主要體現在外圓圓心和內鏜孔圓心之間的偏心距上，對于C1、C2和C3三種偏心C型環試樣，它們的最大壁厚寬度依次為23．73、21．36mm和17．80mm，而最小壁厚寬度則分別為2．97、5．34mm和8．90mm。偏心C型環試樣的材料為SDC99冷作模具鋼。三種不同偏心距C型環試樣的淬火和深冷處理工藝為:首先，將偏心C型試樣加熱至1040℃保溫30min進行奧氏體化;隨后，進行油淬至室溫(20℃)，并直接浸入液氮中，讓試件在液氮中保持足夠長的時間以便試件冷透(－196℃);最后，取出試樣放置在空氣中自然復溫。在深冷處理前后采用XRD分析儀對試樣表面進行殘留奧氏體和殘余應力的測試。

2有限元數值模擬

在有限元建模過程中，采用細小的六面體實體單元對其進行網格劃分，節點與單元數均為58089和51200個。在偏心C型環試樣淬火和深冷處理的模擬過程中涉及的關鍵假設如下:(1)假設偏心C型環試樣為多相組織材料;(2)經奧氏體化后，假設偏心C型環試樣溫度分布均勻，試樣為100%的奧氏體組織;(3)材料的低溫熱導率和低溫比熱容等物性參數均為溫度的函數，并通過試驗測試獲得［17－18］;(4)室溫和淬火油溫度均設為20℃，液氮溫度設為－196℃;(5)換熱邊界條件為第三類傳熱邊界條件，具體的換熱系數可參見作者的前期工作［17－18］;(6)為了保證偏心C型試樣在淬火和深冷處理過程中能夠完全冷透，淬火的模擬時長為1800s，深冷處理的模擬時長為400s，以溫度作為邊界進行控制。

3試驗結果與分析

3．1組織演變為了便于探討偏心C型環試樣在淬火和深冷處理過程中的組織和應力演變規律，選取試樣表面典型部位進行點追蹤分析，如圖2所示。圖3為淬火和深冷處理過程中不同偏心度C型環試樣表面P1至P5點奧氏體含量隨時間的演變曲線。由圖可知，C型環試樣表面上各點的組織轉變表現出相似的演變規律，但是由于P1至P5點的冷卻速度存在差異，導致淬火和深冷處理過程中奧氏體組織的轉變也表現出一定的差異，尤其是位于缺口處的P1點，其奧氏體轉變速度最快,而心部的P5點的轉變速度最慢;比較淬火過程中不同偏心度C型環試樣的奧氏體轉變曲線可知，隨著偏心距的減小，試樣表面P1至P5點的組織轉變曲線的帶寬度逐漸減小，這表明偏心度對C型環試樣的組織轉變進程具有明顯影響;偏心度越大，試樣組織轉變的不同步性越明顯，冷卻過程中引起的組織應力越大;淬火至室溫后，試樣上P1至P5點的殘留奧氏體含量約為15．5%。進入深冷處理階段后，試樣中的殘留奧氏體繼續向馬氏體轉變;與淬火階段相比，深冷處理過程中奧氏體向馬氏體的轉變速率要小得多，但是偏心度對C型環試樣深冷處理組織轉變的影響規律一致;待C型環試樣完全冷透至液氮溫度，試樣上各點的殘余奧氏體含量均減小到2%左右，幾乎為全馬氏體組織。采用XRD測得深冷處理前后殘留奧氏體的平均含量分別為15%和1．9%，模擬與試驗結果吻合。圖4給出了淬火和深冷處理后不同偏心度C型環試樣(1/4模型)殘留奧氏體的空間分布云圖。為了便于對比，對圖中奧氏體含量高于16%的部位進行著色。由圖可知，淬火后，C型環試樣中的奧氏體組織分布不均勻，主要表現為在試樣的缺口和最大壁厚附近殘留奧氏體含量相對較高，其余部位殘留奧氏體含量較低;偏心度對奧氏體組織轉變不均勻性的影響顯著，偏心度越大，奧氏體組織分布的不均勻性越明顯;經深冷處理后，由于殘留奧氏體繼續向馬氏體轉變，試樣中奧氏體組織分布的不均勻性得到顯著改善，隨著偏心度的減小，改善效果越明顯，但最終在C型環試樣的缺口附近仍然存在著少量的殘留奧氏體;深冷處理后，殘留奧氏體含量相比淬火后減少了約14%。

3．2應力演變圖5為不同偏心度C型環試樣表面上各點的等效應力演變曲線。由圖可知，在淬火過程中，不同偏心度C型環試樣上各部位的應力演變曲線均出現兩個應力峰值，其中第一個主要受熱應力影響，而另一個則與相變應力密切相關。在淬火階段，隨著偏心度的減小，試樣各部位等效應力峰值有不同程度的變化。尤其是缺口處的P1點，其應力峰值變化最為顯著，且影響該部位應力峰值的主導因素也發生變化，如C3試樣缺口處P1點的最大應力峰值主要受相變應力影響，其值約為220MPa。而對于C1試樣相應部位的最大應力峰值則大幅度降低，約為70MPa，主要是由熱應力主導。進入深冷處理階段后，由于C型環試樣心表溫差和心表奧氏體體積分數差均要比淬火過程小得多，相應地C型環試樣的熱應力和組織應力也均非常小。受熱應力和相變應力的影響，C型環試樣的等效應力變化相比淬火過程要平緩得多，偏心度對C型環試樣深冷處理應力演變的影響規律與淬火過程保持一致。

3．3殘余應力分布圖6給出了淬火和深冷處理后不同偏心度C型環試樣表面P1至P5點殘余應力的模擬和XRD測試結果。由圖可知，在誤差允許范圍內模擬結果與試驗結果比較吻合，說明數值模擬具有較好的可靠性。經深冷處理后，不同偏心度C型環試樣表面上各點的殘余應力均有所降低，尤其是在缺口或最大壁厚附近。偏心度對淬火和深冷處理后C型環試樣表面殘余應力的分布具有明顯影響，隨著偏心度的減小，C型環試樣表面殘余應力的值也逐漸越小。圖7給出了淬火和深冷處理后不同偏心度C型環試樣(1/4模型)的殘余應力空間分布云圖。為了便于對比，對應力值低于50MPa的部位進行著色。觀察該圖可知，淬火后，不同偏心度C型環試樣的殘留奧氏體含量較高的部位，其殘余應力值也相對較高。經深冷處理后，不同偏心度C型環試樣的殘余應力分布狀態未發生明顯變化，但整體應力值有所下降，尤其是在缺口或最大壁厚附近。無論是淬火還是深冷處理，偏心度對C型環試樣殘余應力的分布影響顯著，試樣的偏心度越小，其殘余應力的分布越均勻。

4結論

(1)偏心度越大，試樣淬火后奧氏體組織分布的不均勻性越明顯;深冷處理后，這種奧氏體組織分布的不均勻性得到顯著改善，隨著偏心度的減小，改善效果越明顯;經深冷處理后，試樣殘留奧氏體含量相比淬火后減少了約14%，模擬與試驗結果吻合。(2)在淬火階段，隨著偏心度的減小，試樣應力演變曲線上的應力峰值發生變化，影響應力峰值的主導因素由熱應力轉變為相變應力;在深冷處理階段，試樣的熱應力和組織應力均非常小，應力演變相比淬火過程要平緩得多，偏心度對深冷處理應力演變的影響規律與淬火過程一致;(3)無論是淬火還是深冷處理，偏心度對C型環試樣殘留應力的分布均具有明顯的影響。淬火后，試樣殘留奧氏體含量較高的部位其殘余應力也相對較高;深冷處理后，試樣的整體應力值有所下降;試樣的偏心度越小，其殘余應力的分布越均勻。

參考文獻：

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［9］韓曉君，李淑娟，閆獻國，等．深冷處理對高速鋼磨削表面殘余應力的影響［J］．熱加工工藝，2015，44(2):227－231．

［10］李根．深冷處理和攻絲過程中絲錐應力場的數值模擬［D］．太原:太原科技大學，2013．

作者:楊衛東 章軍 封源 王沛瑩 黎軍頑 單位：浙江醫藥高等專科學校醫療器械學院 上海大學材料科學與工程學院