淬火過程應(yīng)力場的計算機模擬-常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

淬火過程應(yīng)力場的計算機模擬史東麗，朱菊香（常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電氣工程系江蘇常州213011）摘要：利用有限元模擬軟件對42Crmo試棒在淬火過程中的應(yīng)力變化進行數(shù)值模擬，使得在淬火過程中的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力得以體現(xiàn)，并分析淬火過程中表面和心部的應(yīng)力變化。關(guān)鍵詞：淬火；數(shù)值模擬；有限元分析1﹒引言淬火是一項能夠明顯提高金屬工件機械性能的熱處理工藝。但是淬火過程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用常導(dǎo)致工件各部位塑性變形不一致并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對材料性能有很大的影響，嚴重時可導(dǎo)致工件變形甚至開裂[1]。對于此類問題，通?！翱床灰?，摸不著”，只能通過失效分析經(jīng)驗判斷，缺乏科學(xué)的依據(jù)和預(yù)見性。淬火過程計算機數(shù)值模擬的出現(xiàn)，把過去靠經(jīng)驗進行生產(chǎn)變?yōu)榭茖W(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)，對提高淬火質(zhì)量、優(yōu)化工藝、減少浪費具有現(xiàn)實意義。2﹒淬火過程數(shù)值計算2.1研究對象及試驗條件選用φ50×200的試棒，材料選用42Crmo。試棒經(jīng)從室溫20℃加熱到860℃保溫1小時后，開始冷卻，冷卻介質(zhì)為水，溫度為20℃?？紤]到試棒出爐到進入淬火介質(zhì)之間的過程，設(shè)定出爐后在空氣中冷卻5s.然后淬水直至冷卻至室溫。利用淬火過程中的冷卻曲線反算求解得到表面換熱系數(shù)[2]表1表面換熱系數(shù)SurfaceConvectionCoefficient2.2淬火過程數(shù)值計算由于φ50的試棒為軸對稱，所以選取1/2截面進行網(wǎng)格劃分，共200個單位，表面網(wǎng)格劃分的細一些，心部則相對粗一些，可增加計算精度，并減少運算時間。并依次在表面下1mm、2mm、11mm、22mm選取4點，作為跟蹤點，如圖1。心部及表面各點的冷卻曲線如圖2。圖1網(wǎng)格劃分及跟蹤點圖2各跟蹤點的冷卻曲線Chart1:GeneralmeshandtrackpointChart2:Thecoolingcurvesoftrackpoint3﹒計算結(jié)果圖3為試棒加熱及淬冷過程中4個追蹤點的應(yīng)力曲線圖。圖4為試棒1/2軸截面淬冷到最后的軸向殘余應(yīng)力等值線圖。圖5為試棒1/2軸截面淬冷到30S(相變點)時的應(yīng)力等值線圖。圖6為試棒1/2軸截面淬冷到50S(應(yīng)力轉(zhuǎn)換)時的應(yīng)力等值線圖。圖3為試棒加熱及淬冷過程中圖4為試棒1/2軸截面淬冷到4個追蹤點的應(yīng)力曲線圖最后的軸向殘余應(yīng)力等值線圖Chart3:Thestresscurvesof4trackpointChart4:Theresidualstressisolineofduringheatupandquenchprocess1/2sectionspecimenafterquenched圖5試棒1/2軸截面淬冷到圖6為試棒1/2軸截面淬冷到30S時的應(yīng)力等值線圖50S時的應(yīng)力等值線圖Chart5:Thestressisolineof1/2Chart6:Thestressisolineof1/2sectionafterquenchin30secsectionafterquenchin50sec4結(jié)果分析及討論4.1根據(jù)表面及心部各追蹤點在淬火過程中的應(yīng)力曲線（圖3），得知在淬火冷卻時，試件縱截面Z軸方向上的表面位置，應(yīng)力先呈拉應(yīng)力后呈壓應(yīng)力(如圖3，P1追蹤點和P2追蹤點的軌跡曲線)，而心部處應(yīng)力先呈壓應(yīng)力后呈拉應(yīng)力(如圖3，P3追蹤點和P4追蹤點的軌跡曲線)。這是因為在試樣淬火初期，試樣表面收縮量大于心部，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，中心產(chǎn)生壓應(yīng)力。表面和心部的內(nèi)應(yīng)力都隨著淬火時間的延續(xù)而不斷增大，經(jīng)歷一定時間后達到最大值。隨后兩部分的內(nèi)應(yīng)力都逐漸減小。隨著淬火時間的延長，試樣表面內(nèi)應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，試樣中心的內(nèi)應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，而且數(shù)值不斷增大到一定值。4.2根據(jù)軸向殘余應(yīng)力等值線圖，可得知試棒軸截面各個位置的殘余應(yīng)力（如圖4），殘余應(yīng)力過高會顯著影響產(chǎn)品的機械性能。通過有限元分析，使得通常不容易通過試驗得到的殘余應(yīng)力數(shù)值通過計算機模擬展現(xiàn)出來。4.3通過圖3可觀察到，在淬火進行到30S時，（如圖5）表面拉應(yīng)力逐漸減小，心部壓應(yīng)力也逐漸減小，在淬火進行道50S時，（如圖6）表面拉應(yīng)力和心部壓應(yīng)力都達到最小值。這說明從淬火30S開始發(fā)生了相變，相變首先從邊界開始，因此邊界應(yīng)力狀態(tài)逐漸減小，到50S左右時，由于心部開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，表層受到壓應(yīng)力。4.4對實際工件的應(yīng)力場模擬比較復(fù)雜，不同的工件在淬火過程中會有不同的表面換熱系數(shù)，而且復(fù)雜工件不同位置的表面換熱系數(shù)也不同，這會導(dǎo)致模擬精度的降低。通過對試棒截面的應(yīng)力場分析，可以預(yù)測出產(chǎn)品在淬火過程中的應(yīng)力分布和變化，對于實際工件淬火工藝的制訂有指導(dǎo)意義。參考文獻：[1]謝建斌，程赫明，何天淳，文宏光