鄭漢清

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

在我們進(jìn)行快速淬火處理過(guò)程中，金屬材料在不同的淬火溫度下，其心部也會(huì)在不同的淬火速度下進(jìn)行快速冷卻，在這個(gè)淬火熱處理過(guò)程中，金屬材料的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受熱狀態(tài)都可能會(huì)同時(shí)發(fā)生某些變化，因此，在我們進(jìn)行快速淬火處理過(guò)程中，必將會(huì)在金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，,并且會(huì)改變這些金屬材料的內(nèi)部體積和從而使其產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力變形。一般來(lái)說(shuō)，鋼鐵在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的淬火應(yīng)力主要認(rèn)為是由兩種客觀條件因素造成的，分別是由于工件溫度的劇烈變化引起的熱應(yīng)力和由于組織結(jié)構(gòu)變化不均勻所致而引起的組織應(yīng)力。熱應(yīng)力通常是指一種工件在進(jìn)行連續(xù)加熱或者冷卻的工作過(guò)程中，由于接觸工件本體表面層和工件中心層內(nèi)部而可能存在的溫度差，鋼件內(nèi)外的膨脹和收縮不同而形成的應(yīng)力。淬火熱應(yīng)力一般導(dǎo)致工件的中心部形成拉應(yīng)力，表面形成壓應(yīng)力。相變應(yīng)力主要是指金屬材料在進(jìn)行熱處理工藝過(guò)程中發(fā)生了一系列的微觀組織轉(zhuǎn)變,即相變過(guò)程中所發(fā)生的應(yīng)力，包括非均勻相變所引起的組織應(yīng)力以及不等時(shí)相變所引起的其他附加應(yīng)力。這兩種相變應(yīng)力均是來(lái)自于不同組織之間比容的差異。

零件在進(jìn)行相應(yīng)熱處理后對(duì)其測(cè)量的殘余應(yīng)力主要指的是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的總和，其大小一般隨著零部件尺寸的增加而增大。在對(duì)大型的零件熱處理過(guò)程中，為了能夠獲得需要的組織性能，并且不會(huì)產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力，增加產(chǎn)品成功的概率，只有依賴傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的淬火工藝。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可靠性比較高，但是存在許多問(wèn)題：①投資成本過(guò)高，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，為了找出殘余應(yīng)力分布的規(guī)律，需要對(duì)大量試樣進(jìn)行測(cè)量。②對(duì)于簡(jiǎn)單形狀的樣品，截面殘余應(yīng)力比較好測(cè)量，但是對(duì)形狀復(fù)雜的的試樣來(lái)說(shuō)，測(cè)量比較困難。③簡(jiǎn)單形狀的樣品測(cè)量的結(jié)果不能直接用到大型形狀復(fù)雜的零件上。由于這些問(wèn)題，傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足我國(guó)機(jī)械工業(yè)和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，隨著熱處理數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在淬火熱應(yīng)力的研究，并受到人們的重視，已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

1 淬火應(yīng)力模擬國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于淬火應(yīng)力的科學(xué)仿真與模擬的實(shí)驗(yàn)研究早在在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)初步開始了。1977年，瑞典著名物理學(xué)者Hidenwall[1]首次利用了一種被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的疊加法則，即一種根據(jù)等溫加熱轉(zhuǎn)變的連續(xù)孕育期來(lái)預(yù)測(cè)連續(xù)冷卻的時(shí)候，鋼鐵材料的轉(zhuǎn)變溫度的疊加方法，將連續(xù)冷卻的的整個(gè)過(guò)程，依次離散轉(zhuǎn)化為各個(gè)小時(shí)段的階梯式連續(xù)冷卻的過(guò)程。并且他們借助虛擬時(shí)間這個(gè)基本概念，解決了如何通過(guò)TTT曲線來(lái)精確預(yù)測(cè)連續(xù)冷卻過(guò)程中，材料在組織結(jié)構(gòu)是發(fā)生的變化問(wèn)題。日本材料研究學(xué)者Umemoto[2]對(duì)Fe-0.2C，F(xiàn)e-0.43C兩個(gè)合金的鐵素體和一位法國(guó)的學(xué)者Fernandes[3]對(duì)XC80合金的珠光體都進(jìn)行了類似的珠光體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這個(gè)離散原則的各種實(shí)際應(yīng)用的可行性。奧地利學(xué)者Rammerstorfer[4]對(duì)模擬淬火材料工藝制造的過(guò)程進(jìn)行了熱彈塑性的定量分析，并對(duì)比了等向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化和材料隨動(dòng)強(qiáng)化、蠕變、相變塑性等對(duì)材料模擬淬火結(jié)果的應(yīng)力影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變塑性對(duì)材料熱處理后的應(yīng)力影響較大，而蠕變對(duì)應(yīng)力的影響較小可以忽略不計(jì)。日本學(xué)者T.Inoue[5]對(duì)淬火和回火的過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)、系統(tǒng)的物理模擬和數(shù)值模擬，其軟件“ HEARTS”可以廣泛的用于模擬中小型零件的水淬、滲碳淬火和感應(yīng)淬火，并且已經(jīng)得到了實(shí)際的試驗(yàn)成果和結(jié)論的支持。法國(guó)學(xué)者Deni[16]在對(duì)馬氏體淬火過(guò)程中進(jìn)行熱力學(xué)分析和內(nèi)應(yīng)力計(jì)算時(shí)，考慮了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對(duì)馬氏體相變動(dòng)力學(xué)的作用和影響，描述了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料熱處理過(guò)程中馬氏體的殘余應(yīng)力的作用和影響，并與實(shí)測(cè)應(yīng)力的狀態(tài)進(jìn)行了比較，得到良好的結(jié)果。此外，匈牙利的 Gergely[6]，瑞典的 Sjostrom[7]和德國(guó)的 Schroder[8]也都對(duì)淬火過(guò)程中的硬化規(guī)律、產(chǎn)品大小和工藝條件環(huán)境的影響做了數(shù)值分析的深入研究。1984年5月23日至25日在瑞典 Lingkoping 大學(xué)舉辦的首屆金屬材料熱處理殘余應(yīng)力模擬計(jì)算論壇會(huì)議，來(lái)自17個(gè)地區(qū)和國(guó)家的近100名專業(yè)學(xué)者出席了會(huì)議，并且發(fā)表了大量有價(jià)值的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。

2 淬火應(yīng)力國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在淬火熱處理中進(jìn)行仿真和模擬技術(shù)的研究工作開始比較晚，但到現(xiàn)在也已經(jīng)得到了顯著地發(fā)展。從上世紀(jì)八十年代早期開始，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者們開始對(duì)淬火熱處理的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入的研究。最初的開展研究工作的是原化工部機(jī)械研究院的姚善長(zhǎng)學(xué)者[9]和陜西機(jī)械學(xué)院的袁發(fā)榮[10]等學(xué)者通過(guò)測(cè)量對(duì)軸對(duì)稱零件所需淬火熱處理過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真模擬。上海重型機(jī)器廠的吳景之學(xué)者[11，12]通過(guò)對(duì)大鍛件加熱和淬火冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)的變化現(xiàn)象分析進(jìn)行了深入的模擬研究，中國(guó)航空信息中心的石林學(xué)者[13]通過(guò)采用用計(jì)算機(jī)編程方法進(jìn)行對(duì)在汽車中的渦輪盤淬火模擬研究，深入研究了渦輪盤淬火時(shí)的冷卻速率、淬火介質(zhì)流動(dòng)以及殘余應(yīng)力的變化過(guò)程。八五期間，清華大學(xué)與著名的上海重型機(jī)械廠共同合作對(duì)大型鋼鍛件的各種淬火處理技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[14，15]，實(shí)測(cè)了若干鋼種的熱物性、力學(xué)物理性能、相變動(dòng)力學(xué)和相變塑性等參數(shù)，還對(duì)常見(jiàn)的各種淬火處理技術(shù)，例如水淬、噴水、以及淬火噴霧等過(guò)程的表面熱轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究，并且獲得了大量的淬火實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。在這些大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和大量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)劉莊教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用有限元法獨(dú)立研制出了熱處理數(shù)值模擬軟件包，即 NSHT (Numerical Simulation of Heat Treatment)，并通過(guò)利用該軟件分析了大型鍛件在淬火熱處理工藝過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且獲得了較為令人滿意的結(jié)果。上海交通大學(xué)從上世紀(jì)90年代初期就開始專注于于滲碳、滲氮及淬火過(guò)程，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制與數(shù)值模擬研究。該研究項(xiàng)目的課題組研究開發(fā)的滲碳控制管理軟件 SITU-CARBCAD 已經(jīng)被成功地廣泛應(yīng)用到了滲碳熱處理爐的在線自動(dòng)控制與在線自動(dòng)決策。另外，在國(guó)際上最常見(jiàn)的通用有限元平臺(tái)MSC.MARC 軟件的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)用戶進(jìn)行自定義的子程序，分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷軋輥、支承輥[16，17]、錨環(huán)[18]、曲軸[19]在持續(xù)加熱后的淬火過(guò)程中的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)和殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算[20]，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性很高，己被廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中。在對(duì)有限元計(jì)算方法、表面換熱系數(shù)、相變塑性、相變動(dòng)力學(xué)等這些基本理論的研究方面也已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些研究和學(xué)者同樣也對(duì)淬火加工過(guò)程的模擬技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，發(fā)表了許多關(guān)于該技術(shù)的研究文獻(xiàn)，并且舉辦了多次具有特色和專業(yè)性的國(guó)際會(huì)議。從第一屆熱處理殘余應(yīng)力大會(huì)開始就已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了與當(dāng)代我國(guó)處理專家學(xué)者密切相關(guān)的大量有關(guān)熱處理模擬模型應(yīng)力研究學(xué)術(shù)論文。在以后的第二屆、第三屆淬火及淬火變形控制會(huì)議中也相繼發(fā)表了許多我國(guó)相關(guān)研究成果報(bào)告[21]。在上海交通大學(xué)舉行的首屆熱處理工藝數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真模擬國(guó)際會(huì)議，是一次專門針對(duì)熱處理工藝計(jì)算機(jī)模擬界的國(guó)際會(huì)議，會(huì)議共搜集并匯編了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)論文53篇，基本介紹了當(dāng)前熱處理模擬計(jì)算技術(shù)在國(guó)際上應(yīng)用的主要方法以及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用水平。

在淬火過(guò)程熱應(yīng)力的實(shí)測(cè)方法上，東北重機(jī)學(xué)院的康大韜學(xué)者[22]最先提出通過(guò)X-射線應(yīng)力分析法和大截面試樣的逐次剝離分層的方法，深入研究了各種調(diào)質(zhì)大軸中內(nèi)部殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律，找到了可以準(zhǔn)確描述調(diào)質(zhì)工件內(nèi)部殘余熱應(yīng)力沿工件橫截面分布規(guī)律的函數(shù)式和計(jì)算公式。張海[23]應(yīng)用X射線應(yīng)力分析法和大截面試樣的逐次剝層法來(lái)綜合檢驗(yàn)了18Cr2Ni4W鋼試樣中淬火殘余應(yīng)力沿截面的分布。研究了大型鍛件淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、分布的基本規(guī)律和其他的測(cè)量手段。劉峻[24]提出了利用化學(xué)腐蝕剝層法和 X 射線法兩種相結(jié)合的方法來(lái)測(cè)量表層殘余應(yīng)力，解決了由于激光相變硬化區(qū)尺寸小和不宜制備傳統(tǒng)剝層法試件所帶來(lái)的問(wèn)題。并且深入地分析研究了表層殘余應(yīng)力梯度的影響。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院任泉莊[25]等研究人員分別利用盲孔法對(duì)分別經(jīng)淬火-回火和淬火-配分后Fe-0.38C-1.44Mn-1.52Si-0.61Cr鋼試樣的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)合該類型鋼材質(zhì)試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)物理變化特征,研究了殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。分析了淬火-配分試樣的殘余應(yīng)力低于淬火-回火試樣的原因是顯微組織內(nèi)存在高的殘留奧氏體量和因配分被顯著軟化的馬氏體基體。上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院的向宏霄等[26]利用儀器化壓痕方法對(duì)S450鋼平板的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，并提出四點(diǎn)彎曲單向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證，并將測(cè)量結(jié)果與盲孔法和切割法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明儀器化壓痕法測(cè)量準(zhǔn)確可靠，能夠有效用于焊接殘余應(yīng)力的快速無(wú)損檢測(cè)。

3 結(jié)論

數(shù)值模擬技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中起著越來(lái)約重要的作用，特別是將數(shù)值模擬測(cè)量殘余熱應(yīng)力技術(shù)用在鋼鐵開裂的問(wèn)題上，能夠在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時(shí)，快速高效的幫助人們找出開裂的原因，優(yōu)化和改進(jìn)熱處理加工工藝。