偏心度对C型环淬火和深冷处理的数值研究范文

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《上海金属杂志》2016年第3期

摘要：

建立了不同偏心度C型环试样淬火和深冷处理过程的数值模型，探讨了偏心度对C型环试样淬火和深冷处理过程中组织和应力演变的影响。研究表明，在淬火过程中，偏心度越大，试样中残留奥氏体组织分布的不均匀性越明显。深冷处理后，试样中奥氏体分布的不均匀性得到显著改善，偏心度越小，改善效果越明显。深冷处理使试样中残留奥氏体含量减少了约14%。随着偏心度的减小，试样应力演变曲线上的应力峰值发生变化，影响应力峰值的主导因素由热应力转变为相变应力。相比淬火过程，深冷处理过程中的应力演变要平缓得多。无论是淬火还是深冷处理，试样的偏心度越小，其残余应力的分布越均匀。

关键词：

偏心度；C型环；深冷处理；残留奥氏体；残余应力；数值模拟

金属零部件在淬火时产生的瞬时应力和最终的残余应力将影响其静载强度、尺寸稳定性及疲劳强度等，不适当的残余应力甚至可能导致零部件变形和开裂［1－2］。深冷处理(DCT，－196℃)作为常规热处理的延续，不仅能够改善材料的组织和性能［3］，而且能提高材料的尺寸稳定性，减少变形［4］。这主要是因为深冷处理能使奥氏体充分转化为马氏体，促进超细碳化物的析出，改变零件的淬火应力状态等［5－7］。近年来，国内外涌现出不少关于深冷处理改善零件残余应力分布的研究，例如，吕雁文等［8］测试了W6Mo5Cr4V2高速钢试件不同工艺热处理后的残余应力，研究了深冷处理对残余应力的影响;韩晓君等［9］采用深冷处理调整磨削表面的残余应力，以期探索出一种调整磨削表面残余应力的新工艺;李根［10］采用有限元软件对高速钢丝锥攻TC4钛合金的过程进行数值模拟，比较经深冷处理和未经深冷处理的丝锥对钛合金攻丝后残余应力的变化情况;Lados等［11］引入深冷处理工艺以减少Al-Si-Mg系铸件热处理后的残余应力，并提出了控制残余应力的方法;Bensely等［7］采用XRD分析了常规热处理、浅冷处理(Shallowcryogenictreatment，SCT，－80℃)以及深冷处理(DCT)对En353钢渗碳层残余应力分布的影响;同时，Bensely等［12］也评价了常规热处理、浅冷处理以及深冷处理对En353钢回转弯曲疲劳性能的影响，揭示了它们不同的断裂机制;Senthilkumar等［13］研究了深冷处理对4140钢残余应力状态的影响，并认为采用深冷处理有利于形成残余压应力。尽管近年来对零件热处理瞬时应力的控制和残余应力分布规律的研究已引起了广泛的关注［14－16］，但由于淬火和深冷处理的复杂性，其在生产过程中的控制和应用仍然有限。本文采用DEFORM软件建立了C型环试样淬火和深冷处理过程的多场耦合数值模型，研究偏心度对C型环试样淬火和深冷处理过程中组织和应力演变的影响规律，预测C型环试样残留奥氏体和残余应力的分布状态，并采用X-ray衍射仪分别对残留奥氏体及残余应力进行标定，以期为深冷处理的工艺研究提供指导。

1试样形状及热处理工艺

为了研究偏心度对C型环试样淬火和深冷处理过程中温度场、组织场和应力/应变场的影响规律，选用三种不同偏心距的C型环试样，其几何尺寸和形状如图1所示。偏心C型环试样的整体尺寸一致，其外圆直径、内镗孔直径、缺口宽度和厚度均相同，分别为31．75、18．40、6．35mm和12．70mm。它们之间的差异主要体现在外圆圆心和内镗孔圆心之间的偏心距上，对于C1、C2和C3三种偏心C型环试样，它们的最大壁厚宽度依次为23．73、21．36mm和17．80mm，而最小壁厚宽度则分别为2．97、5．34mm和8．90mm。偏心C型环试样的材料为SDC99冷作模具钢。三种不同偏心距C型环试样的淬火和深冷处理工艺为:首先，将偏心C型试样加热至1040℃保温30min进行奥氏体化;随后，进行油淬至室温(20℃)，并直接浸入液氮中，让试件在液氮中保持足够长的时间以便试件冷透(－196℃);最后，取出试样放置在空气中自然复温。在深冷处理前后采用XRD分析仪对试样表面进行残留奥氏体和残余应力的测试。

2有限元数值模拟

在有限元建模过程中，采用细小的六面体实体单元对其进行网格划分，节点与单元数均为58089和51200个。在偏心C型环试样淬火和深冷处理的模拟过程中涉及的关键假设如下:(1)假设偏心C型环试样为多相组织材料;(2)经奥氏体化后，假设偏心C型环试样温度分布均匀，试样为100%的奥氏体组织;(3)材料的低温热导率和低温比热容等物性参数均为温度的函数，并通过试验测试获得［17－18］;(4)室温和淬火油温度均设为20℃，液氮温度设为－196℃;(5)换热边界条件为第三类传热边界条件，具体的换热系数可参见作者的前期工作［17－18］;(6)为了保证偏心C型试样在淬火和深冷处理过程中能够完全冷透，淬火的模拟时长为1800s，深冷处理的模拟时长为400s，以温度作为边界进行控制。

3试验结果与分析

3．1组织演变为了便于探讨偏心C型环试样在淬火和深冷处理过程中的组织和应力演变规律，选取试样表面典型部位进行点追踪分析，如图2所示。图3为淬火和深冷处理过程中不同偏心度C型环试样表面P1至P5点奥氏体含量随时间的演变曲线。由图可知，C型环试样表面上各点的组织转变表现出相似的演变规律，但是由于P1至P5点的冷却速度存在差异，导致淬火和深冷处理过程中奥氏体组织的转变也表现出一定的差异，尤其是位于缺口处的P1点，其奥氏体转变速度最快,而心部的P5点的转变速度最慢;比较淬火过程中不同偏心度C型环试样的奥氏体转变曲线可知，随着偏心距的减小，试样表面P1至P5点的组织转变曲线的带宽度逐渐减小，这表明偏心度对C型环试样的组织转变进程具有明显影响;偏心度越大，试样组织转变的不同步性越明显，冷却过程中引起的组织应力越大;淬火至室温后，试样上P1至P5点的残留奥氏体含量约为15．5%。进入深冷处理阶段后，试样中的残留奥氏体继续向马氏体转变;与淬火阶段相比，深冷处理过程中奥氏体向马氏体的转变速率要小得多，但是偏心度对C型环试样深冷处理组织转变的影响规律一致;待C型环试样完全冷透至液氮温度，试样上各点的残余奥氏体含量均减小到2%左右，几乎为全马氏体组织。采用XRD测得深冷处理前后残留奥氏体的平均含量分别为15%和1．9%，模拟与试验结果吻合。图4给出了淬火和深冷处理后不同偏心度C型环试样(1/4模型)残留奥氏体的空间分布云图。为了便于对比，对图中奥氏体含量高于16%的部位进行着色。由图可知，淬火后，C型环试样中的奥氏体组织分布不均匀，主要表现为在试样的缺口和最大壁厚附近残留奥氏体含量相对较高，其余部位残留奥氏体含量较低;偏心度对奥氏体组织转变不均匀性的影响显著，偏心度越大，奥氏体组织分布的不均匀性越明显;经深冷处理后，由于残留奥氏体继续向马氏体转变，试样中奥氏体组织分布的不均匀性得到显著改善，随着偏心度的减小，改善效果越明显，但最终在C型环试样的缺口附近仍然存在着少量的残留奥氏体;深冷处理后，残留奥氏体含量相比淬火后减少了约14%。

3．2应力演变图5为不同偏心度C型环试样表面上各点的等效应力演变曲线。由图可知，在淬火过程中，不同偏心度C型环试样上各部位的应力演变曲线均出现两个应力峰值，其中第一个主要受热应力影响，而另一个则与相变应力密切相关。在淬火阶段，随着偏心度的减小，试样各部位等效应力峰值有不同程度的变化。尤其是缺口处的P1点，其应力峰值变化最为显著，且影响该部位应力峰值的主导因素也发生变化，如C3试样缺口处P1点的最大应力峰值主要受相变应力影响，其值约为220MPa。而对于C1试样相应部位的最大应力峰值则大幅度降低，约为70MPa，主要是由热应力主导。进入深冷处理阶段后，由于C型环试样心表温差和心表奥氏体体积分数差均要比淬火过程小得多，相应地C型环试样的热应力和组织应力也均非常小。受热应力和相变应力的影响，C型环试样的等效应力变化相比淬火过程要平缓得多，偏心度对C型环试样深冷处理应力演变的影响规律与淬火过程保持一致。

3．3残余应力分布图6给出了淬火和深冷处理后不同偏心度C型环试样表面P1至P5点残余应力的模拟和XRD测试结果。由图可知，在误差允许范围内模拟结果与试验结果比较吻合，说明数值模拟具有较好的可靠性。经深冷处理后，不同偏心度C型环试样表面上各点的残余应力均有所降低，尤其是在缺口或最大壁厚附近。偏心度对淬火和深冷处理后C型环试样表面残余应力的分布具有明显影响，随着偏心度的减小，C型环试样表面残余应力的值也逐渐越小。图7给出了淬火和深冷处理后不同偏心度C型环试样(1/4模型)的残余应力空间分布云图。为了便于对比，对应力值低于50MPa的部位进行着色。观察该图可知，淬火后，不同偏心度C型环试样的残留奥氏体含量较高的部位，其残余应力值也相对较高。经深冷处理后，不同偏心度C型环试样的残余应力分布状态未发生明显变化，但整体应力值有所下降，尤其是在缺口或最大壁厚附近。无论是淬火还是深冷处理，偏心度对C型环试样残余应力的分布影响显著，试样的偏心度越小，其残余应力的分布越均匀。

4结论

(1)偏心度越大，试样淬火后奥氏体组织分布的不均匀性越明显;深冷处理后，这种奥氏体组织分布的不均匀性得到显著改善，随着偏心度的减小，改善效果越明显;经深冷处理后，试样残留奥氏体含量相比淬火后减少了约14%，模拟与试验结果吻合。(2)在淬火阶段，随着偏心度的减小，试样应力演变曲线上的应力峰值发生变化，影响应力峰值的主导因素由热应力转变为相变应力;在深冷处理阶段，试样的热应力和组织应力均非常小，应力演变相比淬火过程要平缓得多，偏心度对深冷处理应力演变的影响规律与淬火过程一致;(3)无论是淬火还是深冷处理，偏心度对C型环试样残留应力的分布均具有明显的影响。淬火后，试样残留奥氏体含量较高的部位其残余应力也相对较高;深冷处理后，试样的整体应力值有所下降;试样的偏心度越小，其残余应力的分布越均匀。

参考文献：

［3］刘勇，于文平，张金东，等．深冷处理对T8A钢组织和力学性能的影响［J］．材料热处理学报，2010，31(10):48－52．

［4］魏敏，郭伟．深冷处理对冷作模具D2钢性能的影响分析［J］．热加工工艺，2014，43(8):205－208．

［5］谢尘，吴晓春，闵娜，等．3DAP研究高碳高合金钢深冷处理过程的C偏聚行为［J］．金属学报，2015，51(3):325－332．

［6］胡光立，谢希文．钢的热处理［M］．西安:西北工业大学出版社，2012．

［8］吕雁文，闫献国，韩晓君，等．深冷处理对W6Mo5Cr4V2高速钢残余应力的影响［J］．金属热处理，2015，30(12):89－92．

［9］韩晓君，李淑娟，闫献国，等．深冷处理对高速钢磨削表面残余应力的影响［J］．热加工工艺，2015，44(2):227－231．

［10］李根．深冷处理和攻丝过程中丝锥应力场的数值模拟［D］．太原:太原科技大学，2013．

作者:杨卫东 章军 封源 王沛莹 黎军顽 单位：浙江医药高等专科学校医疗器械学院 上海大学材料科学与工程学院