淬火過程應力場的計算機模擬-常州鐵道高等職業(yè)技術學校

淬火過程應力場的計算機模擬史東麗，朱菊香（常州鐵道高等職業(yè)技術學校電氣工程系江蘇常州213011）摘要：利用有限元模擬軟件對42Crmo試棒在淬火過程中的應力變化進行數(shù)值模擬，使得在淬火過程中的熱應力和殘余應力得以體現(xiàn)，并分析淬火過程中表面和心部的應力變化。關鍵詞：淬火；數(shù)值模擬；有限元分析1﹒引言淬火是一項能夠明顯提高金屬工件機械性能的熱處理工藝。但是淬火過程中熱應力和組織應力綜合作用常導致工件各部位塑性變形不一致并產(chǎn)生殘余應力，對材料性能有很大的影響，嚴重時可導致工件變形甚至開裂[1]。對于此類問題，通?！翱床灰?，摸不著”，只能通過失效分析經(jīng)驗判斷，缺乏科學的依據(jù)和預見性。淬火過程計算機數(shù)值模擬的出現(xiàn)，把過去靠經(jīng)驗進行生產(chǎn)變?yōu)榭茖W地指導生產(chǎn)，對提高淬火質量、優(yōu)化工藝、減少浪費具有現(xiàn)實意義。2﹒淬火過程數(shù)值計算2.1研究對象及試驗條件選用φ50×200的試棒，材料選用42Crmo。試棒經(jīng)從室溫20℃加熱到860℃保溫1小時后，開始冷卻，冷卻介質為水，溫度為20℃?？紤]到試棒出爐到進入淬火介質之間的過程，設定出爐后在空氣中冷卻5s.然后淬水直至冷卻至室溫。利用淬火過程中的冷卻曲線反算求解得到表面換熱系數(shù)[2]表1表面換熱系數(shù)SurfaceConvectionCoefficient2.2淬火過程數(shù)值計算由于φ50的試棒為軸對稱，所以選取1/2截面進行網(wǎng)格劃分，共200個單位，表面網(wǎng)格劃分的細一些，心部則相對粗一些，可增加計算精度，并減少運算時間。并依次在表面下1mm、2mm、11mm、22mm選取4點，作為跟蹤點，如圖1。心部及表面各點的冷卻曲線如圖2。圖1網(wǎng)格劃分及跟蹤點圖2各跟蹤點的冷卻曲線Chart1:GeneralmeshandtrackpointChart2:Thecoolingcurvesoftrackpoint3﹒計算結果圖3為試棒加熱及淬冷過程中4個追蹤點的應力曲線圖。圖4為試棒1/2軸截面淬冷到最后的軸向殘余應力等值線圖。圖5為試棒1/2軸截面淬冷到30S(相變點)時的應力等值線圖。圖6為試棒1/2軸截面淬冷到50S(應力轉換)時的應力等值線圖。圖3為試棒加熱及淬冷過程中圖4為試棒1/2軸截面淬冷到4個追蹤點的應力曲線圖最后的軸向殘余應力等值線圖Chart3:Thestresscurvesof4trackpointChart4:Theresidualstressisolineofduringheatupandquenchprocess1/2sectionspecimenafterquenched圖5試棒1/2軸截面淬冷到圖6為試棒1/2軸截面淬冷到30S時的應力等值線圖50S時的應力等值線圖Chart5:Thestressisolineof1/2Chart6:Thestressisolineof1/2sectionafterquenchin30secsectionafterquenchin50sec4結果分析及討論4.1根據(jù)表面及心部各追蹤點在淬火過程中的應力曲線（圖3），得知在淬火冷卻時，試件縱截面Z軸方向上的表面位置，應力先呈拉應力后呈壓應力(如圖3，P1追蹤點和P2追蹤點的軌跡曲線)，而心部處應力先呈壓應力后呈拉應力(如圖3，P3追蹤點和P4追蹤點的軌跡曲線)。這是因為在試樣淬火初期，試樣表面收縮量大于心部，表面產(chǎn)生拉應力，中心產(chǎn)生壓應力。表面和心部的內應力都隨著淬火時間的延續(xù)而不斷增大，經(jīng)歷一定時間后達到最大值。隨后兩部分的內應力都逐漸減小。隨著淬火時間的延長，試樣表面內應力變?yōu)閴簯?，試樣中心的內應力變?yōu)槔瓚?，而且?shù)值不斷增大到一定值。4.2根據(jù)軸向殘余應力等值線圖，可得知試棒軸截面各個位置的殘余應力（如圖4），殘余應力過高會顯著影響產(chǎn)品的機械性能。通過有限元分析，使得通常不容易通過試驗得到的殘余應力數(shù)值通過計算機模擬展現(xiàn)出來。4.3通過圖3可觀察到，在淬火進行到30S時，（如圖5）表面拉應力逐漸減小，心部壓應力也逐漸減小，在淬火進行道50S時，（如圖6）表面拉應力和心部壓應力都達到最小值。這說明從淬火30S開始發(fā)生了相變，相變首先從邊界開始，因此邊界應力狀態(tài)逐漸減小，到50S左右時，由于心部開始發(fā)生馬氏體轉變，表層受到壓應力。4.4對實際工件的應力場模擬比較復雜，不同的工件在淬火過程中會有不同的表面換熱系數(shù)，而且復雜工件不同位置的表面換熱系數(shù)也不同，這會導致模擬精度的降低。通過對試棒截面的應力場分析，可以預測出產(chǎn)品在淬火過程中的應力分布和變化，對于實際工件淬火工藝的制訂有指導意義。參考文獻：[1]謝建斌，程赫明，何天淳，文宏光