第十五章熱處理模擬

1、第十五章 熱處理本章導讀金屬材料的熱處理通常是指將材料加熱到相變溫度以上發(fā)生相變并保持一定的時間，再施以冷卻再發(fā)生相變的工藝過程。通過這個相變與再相變，材料的內部組織發(fā)生了變化，因而性能發(fā)生變化。機床、汽車、摩托車、火車、礦山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通過熱處理工藝改善其性能。為保證機械產品的質量和使用壽命，通常都要將重要的機械零件進行熱處理，例如據(jù)初步統(tǒng)計，在機床制造業(yè)中有60%70%的零件要進行熱處理，汽車和拖拉機制造業(yè)中有70%80%的零件要進行熱處理，工磨具及滾動軸承制造業(yè)中則100%要進行熱處理。而且，只要選擇的金屬材料合適，熱處理工藝得當，就能使機械零件的使用壽命

2、成倍、甚至十幾倍地提高，起到事半功倍的效果。因此，熱處理是機械零件和磨具制造過程中的關鍵工序，是機械工業(yè)的一項重要基礎技術，對于提高和控制材料的性能。充分發(fā)揮材料的性能潛力，節(jié)約材料，減少能耗并增加產品的可靠性，延長產品的使用壽命，提高生產單位經濟效益都具有十分重要的意義。國際工業(yè)界公認熱處理技術的先進程度是保證機械制造技術先進與否和保證產品質量的最關鍵因素。DEFORM-3D中的熱處理模塊可以模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等熱處理工藝過程，能夠預測硬度、晶粒組織成分、扭曲和主要元素含量，并且有專門的材料模型用于蠕變，相變，硬度和擴散分析，同時可以分析材料晶相、應力應變，以及每種鏡像的彈性、

3、塑性熱和硬度屬性等。15.1 問題分析本案例是一個斜齒輪的熱處理工序，零件如圖15-1所示，鑒于該零件的周期對稱特點，這里取半個齒進行分析，如圖15-2所示。圖15- 1 齒輪圖15- 2 半齒5個熱處理工序如下：1) 550預熱半小時（1800s）；2) 850滲碳2小時（7200s）；3) 100油浴淬火20分鐘（1200s）；4) 280回火1小時（3600s）；5) 空氣中冷卻1小時（3600s）。15.2 問題建立15.2.1 建立一個新問題雙擊DEFORM-3D圖標，進入DEFORM-3D主窗口，單擊【New Problem】按鈕，選擇【Heat treatment wizard】

4、.如圖15-3所示。點擊【Next>】指定問題存儲路徑。點擊【Next>】，輸入問題名稱GearHT，單擊【Finish】完成新問題的建立。或者在進入DEFORM-3D主窗口后可以直接單擊左側Pre Process欄的Heat Treatment，輸入問題名稱GearHT，單擊【Next>】。圖15-3 選擇模塊15.2.2 初始化進入初始化界面，選擇公有制單位SI，勾選【Deformation】（變形）、【Diffusion】（擴散）、【Phase transformation】（相變），單擊【Next>】。如圖15-4所示。圖15-4 初始化15.2.3 導入幾何體

5、進入Geometry界面后，選擇【Import from a geometry, .KEY or .DB file】，如圖15-5所示，單擊【Next>】，導入安裝路徑SFTCDEFORMv10.23DLABS的3DTOOTH文件。導入的零件如圖15-6所示。圖15-5 導入幾何體模型圖15-6 幾何體模型15.2.4 生成網格在Generate Mesh界面，設置（Unstructured mesh）非結構網格數(shù)量為8000，設置表面結構圖層為1，單擊【Initialize layer thickness】,設置涂層厚度為0.005。單擊【OK】退出，單擊【Next>】。如圖15

6、-7,、15-8所示。圖15-7 生成網格圖15-8 涂層厚度15.2.5定義材料進入Material界面，選擇【Import from .DB or . KEY files】單擊【Next>】。如圖15-9所示。找到安裝路徑SFTCDEFORMv10.23DLABS的Demo_Temper_Steel.KEY文件，單擊打開進入如圖15-10所示界面，單擊【Load】按鈕完成材料定義。圖15- 9定義材料圖15-10 材料15.2.6工件數(shù)據(jù)初始化在Workpiece initialization界面中，工件初始溫度（Temperature）選擇均勻（Uniform），數(shù)據(jù)設為20；工件

7、碳原子（Atom）含量選擇均勻（Uniform），數(shù)據(jù)設為0.2；工件相的體積分數(shù)（Phase volume fraction）選擇均勻（Uniform），并將珠光體+貝氏體（Pearlite+Banit）的體積分數(shù)設置為1，其他相均為0。單擊【Next>】。如圖15-11所示。圖15- 11工件數(shù)據(jù)初始化15.2.7 定義介質在Medium Details界面中，定義幾種不同的介質和相關熱傳導區(qū)域。1）在左側的Media欄中，單擊【Rename】按鈕，將第一種介質命名為Heating Furnace，如圖15-12所示，單擊【OK】按鈕。在右側的Heat transfer coeffi

8、cient欄中，熱傳導區(qū)域（Zones）設為默認（Default）將熱傳導系數(shù)（Heat transfer coefficient）設為常數(shù)（Constant）0.1，如圖15-13所示。圖15-12 定義介質名稱圖15-13 設置介質參數(shù)2）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質并命名為Carb.Furnace。如圖15-14所示。在右側的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導區(qū)域（Zones）設為默認（Default）將熱傳導系數(shù)（Heat transfer coefficient）設為常數(shù)（Constant）0.05。在輻射（Radiation）欄中，將便面反應擴

9、散系數(shù)設為常數(shù)（Constant）0.0001如圖15-15所示。圖15-14 定義介質名稱圖15-15 設置介質參數(shù)3）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質并命名為Oil，單擊【OK】退出。如圖15-16所示。在右側的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導區(qū)域（Zones）設為默認（Default）并將熱傳導系數(shù)（Heat transfer coefficient）設為常數(shù)（Constant）5.5。取消選中輻射（Radiation）。如圖15-17所示。圖15- 16定義介質名稱圖15-17設置介質參數(shù)單擊Heat transfer coefficient欄中的新

10、增熱傳導區(qū)域（Zones）按鈕，命名為Zone #1。通過左下角的表面元素拾取窗口的 和 按鈕，選取工件底面。設置該面的熱傳導系數(shù)（Heat transfer coefficient）為與溫度有關，單擊按鈕輸入表1中數(shù)據(jù)，單擊【Apply】按鈕應用，單擊【OK】按鈕完成數(shù)據(jù)設置。如圖15-18、15-19所示。TemperoratureConvection Coefficient202.12502.85006.87504.010002.5表1圖15-18 選擇熱傳導店面圖15-19 熱傳導系數(shù)曲線4）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質并命名為Air，單擊【OK】退出。如圖15-20所示。在

11、右側的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導區(qū)域（Zones）設為默認（Default）并將熱傳導系數(shù)（Heat transfer coefficient）設為常數(shù)（Constant）0.02。如圖15-21所示。單擊【Next>】完成介質定義。圖15- 20 定義介質名稱圖15-21 設置介質參數(shù)15.2.8 工序定義在Schedule界面中，連續(xù)單擊按鈕5此，輸入5個階段工序計劃：1) 550預熱半小時（1800s）；2) 850滲碳2小時（7200s），將碳原子（Atom）含量設為0.8；3) 100油浴淬火20分鐘（1200s）；4) 280回火0.5小時

12、（1800s）；5) 空氣中冷卻1小時（3600s）。輸入后如圖15-22所示，單擊【Next>】完成工序定義。圖15-22 熱處理工序定義15.2.9 設置模擬參數(shù)在Simulation Control界面中，選擇自動（Auto），并將步驟定義（Step Definition）中的每步溫度變化量設置為2，其他保持默認參數(shù)。在對稱面定義欄中單擊按鈕兩次,增加兩個對稱面Sym. Plane #1和Sym. Plane #2。選中Sym. Plane #1，通過表面元素拾取窗口的按鈕選擇C面為對稱面Sym. Plane #1，D面為對稱面Sym. Plane #2。如圖15-23所示。另外，

13、由于工件模型為彈塑性變形，需要定義固定節(jié)點邊界條件。因此需要選擇合適的節(jié)點作為邊界條件。對于此模型，對稱面C，D已經提供了X，Y方向和旋轉約束。因此只需定義Z方向的約束。所以選擇V_z=0，利用表面元素拾取窗口（Pick Surface Elements）的按鈕，選擇如圖15-24所示節(jié)點。單擊【Finish】按鈕，彈出圖15-25所示詢問對話框。單擊【OK】完成問題新建。單擊按鈕退出熱處理模塊，進入到主窗口。圖15- 23圖15- 24圖15- 2515.3 模擬和后處理在主窗口中，單擊或者單擊Simulator欄中的Run選項開始模擬，如圖15-26所示。圖15- 26運算結束后，選擇DEFORM-3D Post選項，進入后處理模塊。溫度如圖15-27