袁林江, 駱 芳, 鄭 潔, 王海根, 李季良

(浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院, 浙江 杭州 310024)

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仿真技術(shù)在熱處理綜合實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

袁林江, 駱 芳, 鄭 潔, 王海根, 李季良

(浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院, 浙江 杭州 310024)

通過使用仿真軟件,對熱處理綜合實驗進(jìn)行了應(yīng)力仿真,解決了學(xué)生對淬火應(yīng)力以及由應(yīng)力引起淬火件變形的直觀體驗的難題,使得抽象的概念具體化。結(jié)合實例進(jìn)行仿真實驗,觀察到淬火溫度與工件厚度的關(guān)系、應(yīng)力的分布及其與淬火溫度的關(guān)系、淬火介質(zhì)對淬火應(yīng)力的影響,給出了實驗得到的金相組織圖。通過改變仿真工藝參數(shù),可以進(jìn)行更多探索性實驗,加深學(xué)生對淬火應(yīng)力及影響因素的理解。

熱處理； 淬火應(yīng)力； 仿真技術(shù)； 實驗教學(xué)

熱處理綜合實驗在機械類專業(yè)實踐教學(xué)中占有重要的地位,是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力以及實踐能力的主要環(huán)節(jié)[1-2]。在實驗教學(xué)中,教師往往會忽略學(xué)生對淬火應(yīng)力的直觀體會,使學(xué)生對淬火變形的原因沒有深刻的理解[3-4]。本文通過引入仿真技術(shù),對淬火處理過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,使學(xué)生能夠直接觀察到淬火溫度的變化以及淬火應(yīng)力的存在。通過改變仿真工藝參數(shù),學(xué)生能夠綜合了解熱處理材料在淬火介質(zhì)中產(chǎn)生的淬火應(yīng)力。將仿真技術(shù)與實驗結(jié)合,加深了學(xué)生對熱處理綜合實驗的理解[5-9]。仿真實驗可連續(xù)、多次進(jìn)行,降低了實驗的成本；對于不易觀測、難以言明的某些現(xiàn)象,采用仿真技術(shù)更有利于學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和探索。

1 仿真的理論基礎(chǔ)

采用ANSYS軟件對熱處理綜合實驗的淬火過程進(jìn)行仿真。通過改變熱處理過程中的淬火溫度、淬火介質(zhì)以及鋼板的厚度來觀察淬火應(yīng)力的變化,并對淬火溫度與淬火應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行討論。

1.1 仿真數(shù)學(xué)模型的選擇

選取仿真實驗的熱分析過程為瞬態(tài)熱分析,熱傳遞的方式為熱傳導(dǎo)的形式[10],邊界條件為對流換熱邊界條件[11-12]。淬火過程中,鋼板的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的改變而變化,鋼板的熱應(yīng)變就會受到約束而不能釋放,于是產(chǎn)生應(yīng)力,發(fā)生熱變形,即屈服。屈服時應(yīng)力滿足的條件即為屈服條件。

三維主應(yīng)力空間下的Von Mises屈服條件為[13]

其中,σs為屈服強度(單向拉伸),σ1、σ2、σ3分別為正交方向的主應(yīng)力。當(dāng)

時,也即Von Mises等效應(yīng)力值大于屈服強度時,材料就會發(fā)生屈服現(xiàn)象。

1.2 實驗和仿真參數(shù)的選取

選用學(xué)生做實驗常用的45鋼作為仿真和實驗的研究對象,平面尺寸100 mm×50 mm。實驗中,鋼板的厚度δ分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm,加熱溫度分別取780 ℃、840 ℃和910 ℃,實驗樣品數(shù)量均為2個。

考慮鋼板的軸對稱結(jié)構(gòu),選取1/4三維幾何模型作為仿真對象。45鋼的熱物性參數(shù)為:密度7 850 kg/m3,泊松比為0.28,其余參數(shù)如圖1所示。

圖1 45鋼的熱物性參數(shù)

2 實驗結(jié)果與仿真分析

2.1 淬火溫度仿真分析

圖2顯示的是淬火介質(zhì)為水、淬火溫度為780 ℃、淬火時間為60 s時,鋼板厚度為1 mm、3 mm和5 mm的溫度分布圖。由于鋼板邊緣與水介質(zhì)接觸面積大,冷卻速度快的原因,導(dǎo)致了圖中出現(xiàn)了溫度不均勻的現(xiàn)象,呈現(xiàn)出了比較明顯的溫度梯度,但溫度梯度差不大。厚度越大的鋼板所需的冷卻時間越長。從圖中發(fā)現(xiàn),厚度為1 mm的鋼板,僅需60 s,溫度就已降到了42.9 ℃,如此快的冷卻速度,對鋼板淬冷后的性能,特別是抗拉強度都極為不利。而且,如此快速的降溫,學(xué)生在實驗過程中,用現(xiàn)有的實驗設(shè)備難以進(jìn)行測量。仿真技術(shù)的使用,使淬火溫度的變化更加的直觀化。

圖2 不同厚度鋼板的溫度分布圖

為了便于學(xué)生更加清晰地觀察鋼板溫度的變化,取圖2鋼板某一節(jié)點(Node1327)處的溫度分布(見圖3)。圖3中,隨著時間的變化,溫度在逐步下降,曲線光滑。溫度梯度效果明顯。在相同的時間內(nèi),厚度大的鋼板降溫較慢；而厚度小的鋼板,節(jié)點處的降溫相對偏快。理想狀態(tài)下,在馬氏體轉(zhuǎn)變前(250 ℃左右),冷卻速度大,有利于組織避開向珠光體的轉(zhuǎn)變；而在馬氏體開始轉(zhuǎn)變后,冷卻速度緩慢則最為適宜。圖3(a)中,如此快速的降溫有可能引起淬火應(yīng)力集中,導(dǎo)致基體變形,甚至可能出現(xiàn)裂紋[14-15]。

圖3 同一節(jié)點、不同厚度鋼板的溫度分布圖

2.2 淬火應(yīng)力仿真分析

為了使學(xué)生體會到淬火應(yīng)力的存在,對圖2中鋼板進(jìn)行應(yīng)力仿真(見圖4)。從圖中可以看出,由于溫度梯度的存在,致使鋼板表面及其內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力流,而且應(yīng)力的分布呈現(xiàn)不均勻性。隨著鋼板厚度的增大,淬火應(yīng)力也隨之增大,最大應(yīng)力集中于邊緣的一側(cè),小的應(yīng)力主要集中在鋼板的中心部位,而且,隨著厚度的增大,小的淬火應(yīng)力有向邊緣另一側(cè)擴散的現(xiàn)象。這說明,隨著鋼板厚度的增加,減小了鋼板中心處以及部分邊緣的應(yīng)力值,但整體上,應(yīng)力值在增大。

圖4 不同厚度鋼板的應(yīng)力分布圖

為了對比淬火溫度對淬火應(yīng)力的影響,選取厚度為1 mm、不同淬火溫度的鋼板進(jìn)行應(yīng)力比較分析(見圖5)。從圖5中可以看出,在淬火進(jìn)行到60 s的時候,鋼板的應(yīng)力分布規(guī)律依然保持基本相似的狀態(tài),但是由于淬火溫度的不同,鋼板的淬火應(yīng)力也不同,溫度越高,應(yīng)力越大。

圖5 水淬后鋼板的應(yīng)力分布圖

選取圖5中3個鋼板的節(jié)點Node1327進(jìn)行水淬后的應(yīng)力分析。如圖6所示,在淬火開始時,鋼板的應(yīng)力變化比較快速,基本上呈線性狀態(tài)；而在后期,應(yīng)力的變化比較緩慢,當(dāng)接近56 s時,鋼板的應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定,淬火應(yīng)力基本上達(dá)到最大值,水淬過程基本結(jié)束?？梢钥闯?在一定溫度范圍內(nèi)和其他條件相同時,溫度越高,淬火后的應(yīng)力越大(見圖6),鋼板發(fā)生的變形也會越嚴(yán)重(見圖7)。

圖6 水淬后節(jié)點的應(yīng)力分布圖

圖7 δ=1 mm的鋼板水淬后變形情況

為了幫助學(xué)生理解淬火介質(zhì)對淬火應(yīng)力的影響,再選用機油作為淬火介質(zhì),得到δ=1 mm、淬火開始60 s時鋼板的應(yīng)力分布(見圖8)?？梢钥闯?其應(yīng)力流的分布規(guī)律與水淬基本相似。區(qū)別在于油淬冷卻時間長,釋放應(yīng)力緩慢,應(yīng)力難以集中。這也說明油淬能夠很好地減少淬火應(yīng)力、降低鋼板的變形程度。對于一些淬裂傾向較大的材料,油淬效果要優(yōu)于水淬。

圖8 δ=1 mm鋼板油淬后的應(yīng)力分布圖

取節(jié)點Node1327,觀察其應(yīng)力隨時間的變化。圖9(a)中,在47 s之前,節(jié)點處的應(yīng)力呈線性變化,但其變化的速率明顯要低于圖9(b)、(c)；但在47 s之后,應(yīng)力出現(xiàn)了階梯性增長,容易引起應(yīng)力集中。雖然整體上應(yīng)力值較大,但在后期緩慢的冷卻過程中,應(yīng)力得以釋放,冷卻能力遠(yuǎn)小于水淬,冷卻能力弱,故而采用機油作為淬火介質(zhì),比較適用于淬透性較好的合金鋼材料。

2.3 實驗結(jié)果的分析

圖10為學(xué)生熱處理實驗所得不同溫度水淬后的金相組織圖。圖10(a)中,金相組織為鐵素體和馬氏體,45鋼不完全奧氏體化。由于加熱溫度未達(dá)到完全奧氏體化,只有部分組織向奧氏體轉(zhuǎn)變,當(dāng)其冷卻時,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,鐵素體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而殘余。因此,淬火應(yīng)力相對較小。當(dāng)45鋼加熱到840℃,水淬后得到較細(xì)的馬氏體,完全奧氏體化,淬火應(yīng)力較大于。圖10(c)為粗大的馬氏體組織,其主要原因是淬火溫度的提高,引起了除組織從鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體之外,同時,轉(zhuǎn)變的奧氏體有晶粒長大的現(xiàn)象,因此,粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體,所發(fā)生的轉(zhuǎn)變應(yīng)力達(dá)到最大。

圖10 水淬后金相組織

淬火介質(zhì)的選取,不僅決定馬氏體轉(zhuǎn)變過程中應(yīng)力大小,還決定了淬火變形和裂紋的發(fā)生。為了進(jìn)一步研究淬火應(yīng)力與冷卻介質(zhì)的關(guān)系,取780℃油淬的金相組織觀察(圖11)。由于油的冷卻能力差,冷卻曲線與等溫轉(zhuǎn)變曲線在“鼻子尖”處相交,淬火后得到除了少量馬氏體之外,還有較多的屈氏體產(chǎn)生。從金相圖來看,晶粒越細(xì)小,所需轉(zhuǎn)變應(yīng)力也越小(見圖8(a)和圖5(a))。

圖11 780℃油淬金相組織

3 結(jié)語

將仿真技術(shù)運用到熱處理綜合實驗教學(xué)的淬火實驗中,學(xué)生能夠觀察到淬火中鋼板內(nèi)部存在著變化不大的溫度梯度,能夠觀察到在鋼板的表面及其內(nèi)部有等效應(yīng)力流存在且分布呈現(xiàn)不均勻性。此外,學(xué)生能夠直觀地觀察到應(yīng)力與溫度間的關(guān)系,并且可以進(jìn)一步研究鋼板任一點的溫度、應(yīng)力和變形。學(xué)生能夠運用所學(xué)的力學(xué)以及工程材料知識,通過改變仿真工藝參數(shù),經(jīng)過仿真實驗和實物實驗的對比,更好地理解和掌握金屬熱處理知識,提高分析問題、解決問題能力。

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Research on simulation technology applied to comprehensive experimental teaching of heat treatment

Yuan Linjiang, Luo Fang, Zheng Jie, Wang Haigen, Li Jiliang

(Zhijiang College of Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310024,China)

By using the simulation software, the stress simulation is carried out for the thermal processing comprehensive experiment, which solves the problem for the students to experience intuitively the quenching stress and the deformation caused by stress, making the abstract concept concrete. Based on the example of the simulation experiment, the relation between the quenching temperature and thickness of the work-piece is observed, and so is the relation between the quenching temperature and the force distribution.The influence of quenching medium on the quenching stress is spotted, and the metallographic structure is worked out.By changing the parameters of the simulation process, more exploratory experiments can be carried out to deepen the students’understanding of the quenching stress and influencing factors.

heat treatment; quenching stress; simulation technology; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.032

2016-05-31

浙江省高校實驗室工作研究項目(Y201321)；浙江工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)改革研究項目(G1460413737900)；浙江工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)改革研究項目(G1352120022204)

袁林江(1984—),男,河南信陽,碩士,助理實驗師,主要研究方向為機械基礎(chǔ)的實驗教學(xué).

G642.0

A

1002-4956(2016)11-0130-05