袁美玲，張立娟，劉 毅，董延春，宋秀鳳

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

引言

35CrMo中碳合金鋼具有淬透性好，回火脆性不敏感且價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，如水、火電中的傳動(dòng)軸，風(fēng)電中大型葉輪鎖緊裝置以及核電中的桿類(lèi)和多種規(guī)格的螺栓螺母等零件均采用此鋼制造。但在無(wú)論何種電站，該材料的服役環(huán)境都非常惡劣，因此對(duì)其綜合力學(xué)性能要求較高。熱處理可以改變工件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得預(yù)期的性能。自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬也隨之成為一個(gè)舉世關(guān)注的研究領(lǐng)域[1-6]，同時(shí)也是優(yōu)化熱處理工藝、提高零件內(nèi)在質(zhì)量的主要依據(jù)。本文應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì) 35CrMo材料的淬火過(guò)程進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)該材料在不同淬火介質(zhì)、不同尺寸下的應(yīng)力、應(yīng)變、組織、溫度等場(chǎng)量的分布情況，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高工件的綜合性能。

1 淬火過(guò)程計(jì)算原理

淬火過(guò)程是溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)相互耦合的過(guò)程，耦合關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，牽涉面也較廣。試樣在與淬火介質(zhì)間不斷換熱的同時(shí)，試樣內(nèi)部也存在溫差和熱傳導(dǎo)，使其組織、溫度及應(yīng)力分布不斷發(fā)生變化。因此為了研究并模擬材料淬火過(guò)程，就要建立熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型及導(dǎo)熱過(guò)程的本構(gòu)關(guān)系。熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型主要有熱傳導(dǎo)控制方程和特定問(wèn)題的定解條件等。熱傳導(dǎo)控制方程大都以能量守恒定律和傅立葉(Fourier)定律為基本依據(jù)而導(dǎo)出，定解條件也就是偏微分方程適合的某些特定條件[7]，將淬火時(shí)的熱傳導(dǎo)偏微分方程和相應(yīng)的淬火時(shí)已知定解條件結(jié)合在一起就構(gòu)成了淬火過(guò)程的定解問(wèn)題[8]。介于淬火過(guò)程中復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題，本文采用專(zhuān)業(yè)軟件DEFORM-3D熱處理模塊分析該復(fù)雜問(wèn)題。

2 淬火過(guò)程模擬計(jì)算

2.1 研究對(duì)象及性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用35CrMo鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用JD 200-3型電子天平、DCY-3（動(dòng)態(tài)）彈性模量測(cè)定儀、Model TC-7000熱物性參數(shù)測(cè)定儀等設(shè)備對(duì)該成分的35CrMo材料熱物性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 35CrMo鋼的化學(xué)成分(wt%)

2.2 有限元模型的建立

采用DEFORM有限元軟件對(duì)35CrMo鋼試樣的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及組織場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬試樣采用足夠長(zhǎng)的圓棒料，直徑分別為：Φ25mm、Φ60mm、Φ100mm、Φ180mm。由于試樣是圓柱體，最后形成的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及組織場(chǎng)都是軸對(duì)稱(chēng)的，因此，取試樣的1/4作為求解域求解，并在模擬過(guò)程中考慮相變熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。模擬采用的工藝過(guò)程為：將試樣加熱至860℃完全奧氏體化后，①相同尺寸試樣在水、油以及介質(zhì)中分別進(jìn)行冷卻；②不同尺寸試樣在相同淬火介質(zhì)（油）中進(jìn)行淬火冷卻。

表2 35CrMo鋼的熱物性能參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果

圖1（a）為Φ25mm的35CrMo鋼在860℃保溫1h，淬火開(kāi)始階段的溫度場(chǎng)分布圖。淬火試樣冷卻至1s、2s、10s和90s四個(gè)時(shí)刻試樣沿半徑方向不同位置P1（心部節(jié)點(diǎn)）～P8（表面節(jié)點(diǎn)）的溫度分布曲線(xiàn)如圖1(b)所示?？梢钥闯?，在冷卻1s時(shí)，試樣表面的冷速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心部，很容易使試樣產(chǎn)生較大的瞬時(shí)應(yīng)力[9]。隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，整個(gè)試樣的溫度均降低，且試樣心部與表面的溫差逐漸減小，溫度分布趨于平緩。冷卻至80s時(shí)，可以認(rèn)為整個(gè)試樣的溫度分布達(dá)到均勻，與室溫接近。

圖1（c）為淬火試樣冷卻過(guò)程中的P1、P3、P5和P8點(diǎn)的溫度隨冷卻時(shí)間的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)（接近20s時(shí)），各點(diǎn)的溫度均降低并趨于平緩，冷卻至 80s時(shí)，試樣中心溫度與表面溫度近似相等。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果

從圖2試樣心部P1點(diǎn)及表面P8點(diǎn)在不同介質(zhì)中淬火的等效應(yīng)力分布曲線(xiàn)圖中可以看出，無(wú)論是表面還是心部，應(yīng)力值均是在油中淬火時(shí)最小，這是由不同淬火介質(zhì)的冷卻能力決定的。水、淬火液和油三種介質(zhì)中，水的冷卻能力最強(qiáng)，試樣表面和中心的溫差最大，因而產(chǎn)生的應(yīng)力最大，而油的冷卻能力較小，本身又比較穩(wěn)定，尤其是在低溫區(qū)冷卻緩慢，因而大大地減少了試樣中的內(nèi)應(yīng)力。淬火液的冷卻能力居中，因此淬火試樣的應(yīng)力也介于水冷和油冷之間。

圖1 Φ25mm試樣淬火過(guò)程溫度場(chǎng)分布圖

圖2 淬火試樣的等效應(yīng)力分布曲線(xiàn)

在淬火過(guò)程中，尤其在淬火初期，試樣的表面和中心的冷卻速度差別極大，在試樣截面上產(chǎn)生較大的溫差，從而使得應(yīng)力急劇增大，經(jīng)歷短暫時(shí)間后達(dá)到最大值，這種由溫差引起的瞬時(shí)應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象會(huì)隨著溫差的減小及相變的產(chǎn)生逐漸降低，在淬火開(kāi)始的5s左右，應(yīng)力降到了最低，這是由于試樣心部開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變[11]，試樣表面受到壓應(yīng)力，而中心的內(nèi)應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，而且數(shù)值不斷增大，到一定值后趨于平穩(wěn)。

3.3 組織場(chǎng)的模擬結(jié)果

圖3是不同截面尺寸的棒料心部節(jié)點(diǎn)，在油冷過(guò)程中隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生馬氏體的體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，在淬火過(guò)程中，由于不同截面尺寸的試樣心部（P1點(diǎn)）的冷卻速度不同，其馬氏體的體積分?jǐn)?shù)也有明顯差異。冷卻速度愈快，馬氏體產(chǎn)生的時(shí)間愈早，且含量愈高，反之愈低[11]。如計(jì)算結(jié)果所示，Φ25mm棒料心部冷卻速度最快，在淬火開(kāi)始后迅速發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，且在淬火后其馬氏體含量在95%以上，而Φ180mm試樣心部冷卻速度最慢，在淬火100s左右馬氏體轉(zhuǎn)變才逐漸明顯，至冷卻結(jié)束后，其馬氏體含量不到70%。

3.4 淬火后工件硬度預(yù)測(cè)

淬火后材料的硬度值主要取決于產(chǎn)生的馬氏體含量，因此硬度值的分布趨勢(shì)與馬氏體的體積分?jǐn)?shù)的分布趨勢(shì)基本一致。圖4是不同截面尺寸的棒料心部節(jié)點(diǎn)，在油冷過(guò)程中隨著時(shí)間的變化硬度的分布曲線(xiàn)。從圖中可以看出，Φ25mm棒料心部的硬度值(HRC)最高，隨著試樣截面尺寸的增加，冷卻速度的減慢，其心部的硬度也逐漸降低，當(dāng)截面尺寸增加到 Φ180mm時(shí)，其心部硬度值僅為25(HRC)左右。

圖3 試樣心部（P1點(diǎn)）的馬氏體體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖4 淬火試樣心部（P1點(diǎn)）的硬度分布圖

4 結(jié)論

（1）本文應(yīng)用有限元法，對(duì)35CrMo鋼圓柱試樣淬火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)計(jì)算分析，得到每一瞬時(shí)、每一點(diǎn)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和組織場(chǎng)的信息，能夠直觀地反映出淬火過(guò)程的變化情況。

（2）在淬火冷卻初期，試樣表面的冷速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于心部，使試樣產(chǎn)生較大的瞬時(shí)應(yīng)力，這也是誘發(fā)應(yīng)力突變的主要原因。隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，表面與心部的溫差逐漸減小，溫度分布趨于平緩。

（3）在淬火過(guò)程中，由相變產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)試樣的整體應(yīng)力分布起著極其重要的作用。相變應(yīng)力的產(chǎn)生與溫差、冷卻速度密切相關(guān)。對(duì)于35CrMo鋼而言，水冷易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，影響鋼材的使用性能。

（4）淬火后試樣的硬度值主要取決于馬氏體的含量，因此硬度分布趨勢(shì)與馬氏體含量的分布趨勢(shì)一致。

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