北京奇峰聚能科技有限公司光伏材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（100010） 孔德群 裴艷敏 崔 燾 邢立業(yè)

大型鍛件熱處理過程中溫度場和組織場分布及其變化極不均勻，因此產(chǎn)生較大的瞬時應(yīng)力和殘余應(yīng)力，進(jìn)而使工件產(chǎn)生較大的變形甚至開裂。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可以揭示熱處理過程中零件內(nèi)部的瞬態(tài)溫度場、組織變化、內(nèi)應(yīng)力或深層濃度變化等模擬采用溫度-相變-應(yīng)力/應(yīng)變?nèi)唏詈系乃惴?。熱處理過程計(jì)算機(jī)模擬所用的軟件有ABAQUS、ANSYS、MARC等通用有限元軟件，還有日本的HEARTS、美國的DERFORM-HT、瑞典的TRAST，以及我國清華大學(xué)的NSHT、上海交通大學(xué)的SJTU-CARBCAD等專業(yè)軟件。

本文利用DERFORM-HT軟件模擬分析了低碳合金鋼大型鍛件在淬火加熱過程中溫度場、組織場和應(yīng)力場的變化，根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測和揭示鍛件淬火加熱過程中的規(guī)律，從而為加熱保溫時間的選擇提供參考依據(jù)，達(dá)到優(yōu)化工藝、縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本的目的。

1.模擬過程

（1）建模 使用Pro-E軟件建立回轉(zhuǎn)體的三維模型，回轉(zhuǎn)體外徑620mm，軸長850mm?；剞D(zhuǎn)體為軸對稱，為簡化計(jì)算時間，選取其1/18模型導(dǎo)入DERFORM-HT，劃分2萬個單元格（見圖1），進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖1 回轉(zhuǎn)體三維模型

（2）選材 回轉(zhuǎn)體的材質(zhì)為合金鋼20Cr2Ni4，DERFORM-HT數(shù)值分析選擇軟件數(shù)據(jù)庫里BS-655M13鋼，其合金成分接近，C、Cr含量略有差異，見附表。

合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）熱處理工藝 回轉(zhuǎn)體淬火工藝參數(shù)為：空氣電阻爐中加熱，淬火溫度850℃，升溫階段在450℃、650℃分別設(shè)置保溫臺階2h，650℃以下升溫速度50℃/h，650℃以上升溫速度100℃/h。以850℃保溫時間為變量，通過相應(yīng)的結(jié)果與分析，優(yōu)化選擇保溫時間。

2.模擬結(jié)果

（1）臺階保溫階段 450℃保溫2h時的溫度、應(yīng)變及應(yīng)力場見圖2，回轉(zhuǎn)體內(nèi)外溫差較小，但存在應(yīng)力集中，主要分布在溝槽、臺階及心部等處，大部分應(yīng)力在100MPa以上，局部最高達(dá)到200MPa左右。650℃保溫2h時的溫度場、應(yīng)力及應(yīng)變見圖3，內(nèi)外溫差為15℃，回轉(zhuǎn)體內(nèi)部仍存在應(yīng)力集中，應(yīng)力水平有所下降，大部分應(yīng)力在50～100MPa，最高達(dá)120MPa左右。

圖2 450℃保溫2 h

圖3 650℃保溫2h

（2）奧氏體轉(zhuǎn)變初始 如圖4所示，只有軸頭和臺階凸起的上部發(fā)生部分組織轉(zhuǎn)變。由于此時升溫較快，回轉(zhuǎn)體內(nèi)外最大溫差約50℃，外徑與心部溫差約30℃。應(yīng)力主要集中在溝槽、臺階及心部等處，而應(yīng)力水平較低，最高60～70MPa。

（3）850℃保溫過程 850℃保溫2h后回轉(zhuǎn)體的溫差進(jìn)一步增大，應(yīng)力水平很低，奧氏體轉(zhuǎn)變體積增大，軸部和槽部凸起臺階部分的奧氏體轉(zhuǎn)變基本完成，中部的奧氏體轉(zhuǎn)變量是距離心部距離的函數(shù)。此時熱膨脹引起的體積增大與組織轉(zhuǎn)變引起的體積減小趨于抵消平衡。850℃保溫4h后回轉(zhuǎn)體的溫差仍很大，約60℃；不過應(yīng)力水平很低，低于50MPa；軸部和臺階凸起部分奧氏體轉(zhuǎn)變完全，其他部分也接近完成，均在96%以上。相比奧氏體轉(zhuǎn)變引起的體積減小，熱膨脹引起的體積增大占主導(dǎo)地位，回轉(zhuǎn)體的體積膨脹分?jǐn)?shù)為3.05%（見圖5）。

（4）奧氏體轉(zhuǎn)變完全 850℃保溫4h50min時回轉(zhuǎn)體的奧氏體轉(zhuǎn)變?nèi)客瓿桑ㄒ妶D6），此時回轉(zhuǎn)體的溫差縮小，約30℃；回轉(zhuǎn)體內(nèi)部應(yīng)力水平進(jìn)一步降低，低于40MPa；熱膨脹引起的體積增大仍占主導(dǎo)地位，回轉(zhuǎn)體的體積膨脹分?jǐn)?shù)為3.17%。隨著保溫時間延長，溫差進(jìn)一步縮小，應(yīng)力也降低，如圖7所示。 850℃保溫7h時內(nèi)外溫差僅5℃，大部分應(yīng)力20MPa，局部最大應(yīng)力也低于40MPa。

3.結(jié)語

本文以大型回轉(zhuǎn)體鍛件淬火加熱過程的溫度場與應(yīng)力場變化為研究對象，以850℃保溫時間為變量，通過結(jié)果與分析來優(yōu)化850℃保溫時間，以期為熱處理工藝實(shí)踐提供參考。根據(jù)模擬分析結(jié)果，加熱階段要緩慢升溫，以防熱應(yīng)力過大引起產(chǎn)品缺陷，推薦的保溫時間為6～6.5h。經(jīng)實(shí)踐證明，在850℃加熱6.5h，熱處理后回轉(zhuǎn)體的晶粒度、金相組織與力學(xué)性能，以及產(chǎn)品合格率均符合指標(biāo)要求。

圖4 奧氏體轉(zhuǎn)變初始

圖5 850℃保溫4h

圖6 奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束

圖7 850℃保溫6 h