《高碳高鉻鋼Cr12熱處理過程模擬分析》16000字

前言1.1研究目的及意義由于高碳高鉻鋼具有良好的耐磨、抗熱裂、抗氧化等性能，已被廣泛應(yīng)用，但在鑄件的凝固過程中，易出現(xiàn)粗大網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致材料韌性下降。當(dāng)前，主要是通過合金化、變質(zhì)處理、熱處理等措施來改善基體形態(tài)和碳化物，從而提高合金鋼的性能[1]。常用的耐熱耐磨鋼主要是中碳高鉻高鎳鑄鋼，在冶金、礦山、電力等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如熱礦篩、熱軋機(jī)導(dǎo)板和火力發(fā)電機(jī)噴管等。盡管這種鋼有很好的耐熱性，但是它的硬度低，耐磨性差，使用壽命短，成本高。這類高碳高鉻型鋼的鑄態(tài)組織較粗，硬度較低，為提高材料的耐磨性，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以改善組織，提高性能[2]。所以對高碳高鉻鋼Cr12的材料性能和常用熱處理工藝進(jìn)行研究是非常重要的，擬用ANSYS軟件結(jié)合工作實(shí)例模擬高碳高鉻鋼Cr12零件的熱處理過程，并對其進(jìn)行溫度場分析，結(jié)合材料的組織性能等，分析熱處理工藝的合理性，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下一定的基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究進(jìn)展1.2.1高碳高鉻鋼的研究進(jìn)展（1）國外研究現(xiàn)狀破碎機(jī)工況屬非強(qiáng)沖擊工況，高錳鋼的優(yōu)點(diǎn)無法充分發(fā)揮，暴露出其初始硬度低、加工硬化效果差、耐磨性差等缺點(diǎn)[3]。一般高鉻鑄鐵具有良好的耐磨性，但其強(qiáng)度不高，韌性不足，對切口敏感，易發(fā)生斷裂。在高碳型高鉻鋼中，鉻是主要合金元素，在其中加入少量鉬、釩、錳、鋁、鈦、硅等合金元素。高碳高鉻鋼具有良好的硬度、強(qiáng)度和沖擊韌性，經(jīng)淬火處理可獲得馬氏體，通過與回火工藝相結(jié)合可獲得較好的韌性[4]。研究了釩對X96CrMo12-1高碳高鉻鋼鍛造過程中組織和沖擊韌性的影響。在25~30℃左右，釩作為合金元素，使液態(tài)和固相線向更高溫度移動。另外，釩還可形成V6C5碳化物，其部分分布于鋼中的前相、7C3(Cr,Fe)和奧氏體之間。釩能形成(Cr,Fe)23C6碳化物，冷卻時會析出奧氏體。細(xì)小碳化物顆粒周圍局部組織中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，釩減少了殘余奧氏體，提高了淬火性能。該鋼的沖擊韌性因含釩而提高為5%[5]。研究了改性鑄造高鉻、高碳AISID3鋼熱處理后碳化物的形狀和數(shù)量不變，碳化物減少，呈半球形，組織均勻性提高[6]。（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀常利民[7]等人研究了稀土元素及其添加量對高碳鉻鋼力學(xué)性能和耐磨性的影響。結(jié)果表明：稀土能改善高碳鉻鑄鋼中碳化物的形態(tài)分布，提高其綜合性能，尤其稀土與熱處理共同作用時，效果更顯著。當(dāng)試樣經(jīng)0.25%稀土變質(zhì)處理后再經(jīng)950℃，保溫3小時正火處理，其性能最佳。張宇光[8]等人研究了熱處理工藝對新型高碳高鉻鋼硬度和沖擊性能的影響，并分析了含Nb新型高碳高鉻鋼經(jīng)過不同熱處理后的組織。結(jié)果表明，Nb增加了合金碳化物的穩(wěn)定性，在高碳高鉻鋼加熱奧氏體化過程中阻礙了碳化物的溶解。其最佳奧氏體化溫度為1070℃～1100℃。比傳統(tǒng)D2鋼(Crl2MoV)提高了約100℃。Nb細(xì)化了晶粒，改善了高碳高鉻鋼的韌性。在降低少量硬度的情況下，沖擊韌性提高了1倍。程曉敏[9]等人研究了?；幚砉に噷堓佊酶咛几咩t鋼組織和性能的影響。?；幚砉に嚕簩⒃嚇釉?100～1130℃保溫1～2h，然后空冷到200℃左右。再升溫至650℃保溫，最后升溫至890℃進(jìn)行球化退火處理。結(jié)果表明，經(jīng)?；幚砗?，高碳高鉻鋼中原始網(wǎng)狀碳化物?；Ч黠@，大部原始共晶分碳化物溶入基體中，未溶碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榉植荚诩w上細(xì)小顆粒狀和短棒狀；?；幚砗蟾咛几咩t鋼綜合力學(xué)性能得到明顯改善。相對于淬火回火態(tài)高碳高鉻鋼．經(jīng)?；幚砗蟾咛几咩t鋼硬度有所下降，沖擊韌性則有明顯提高。于升學(xué)[10]等人研究稀土變質(zhì)與熱處理對高碳鉻鑄鋼力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：高碳高鉻鑄鋼經(jīng)0.22%稀土變質(zhì)后再經(jīng)960℃×3h正火，其抗磨性提高20%，沖擊韌性提高180%，強(qiáng)度提高76%，塑性也有所提高其主要原因在于稀土變質(zhì)及熱處理使高碳高鉻鑄鋼組織中連續(xù)網(wǎng)狀的共晶碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)楣铝⒌膲K狀，碳化物的形狀因子增大以及粒狀碳化物的析出所至。劉紅才[11]對高碳高鉻鋼復(fù)合軋輥設(shè)計了4種不同的退火溫度(550℃、600℃、650℃、700℃)。系統(tǒng)研究了高碳高鉻鋼在不同退火溫度下的顯微組織與性能轉(zhuǎn)變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高基體殘余奧氏體向馬氏體和珠光體轉(zhuǎn)變，650℃退火回火馬氏體體積分?jǐn)?shù)最大，700℃退火回火馬氏體量減小。孫曉敏[12]研究了K/Na變質(zhì)劑對高鉻鑄鐵組織和性能的影響，確定了合金的熔煉和熱處理工藝，得出最佳的熱處理工藝為1000℃x3h空淬+450℃x2h回火。金相觀察表明采用K/Na復(fù)合變質(zhì)后組織中初生奧氏體顯著細(xì)化，枝晶明顯減少，碳化物由粗大板條狀向細(xì)板條狀、菊花狀轉(zhuǎn)變，對基體的割裂作用大大減小，基體的連續(xù)程度增加；變質(zhì)處理和熱處理明顯提高了高鉻鑄鐵的硬度、沖擊韌性和耐磨性。胡勝研究了3種不同Cr/C比的復(fù)合軋輥用高碳高鉻鋼，系統(tǒng)研究了Cr/C、?；幚硪约白罱K熱處理(淬火+回火)工藝對高碳高鉻鋼顯微組織與性能的影響。研究表明高碳高鉻鋼在1050℃左右淬火能夠得到較好的性能?；鼗饻囟仍?50℃時，試樣的硬度和沖擊韌性均達(dá)到峰值。經(jīng)粒化處理后，高碳高鉻鋼的組織中共晶碳化物明顯溶解，大部分粗大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失，碳化物呈不連續(xù)的短棒狀或顆粒狀分布；基體在經(jīng)?；幚砗筠D(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牧钪楣怏w組織。?；幚砗笤俳?jīng)最終熱處理，得到的組織為均勻的馬氏體基體上分布著少量的未溶原始碳化物和大量彌散析出的二次碳化物。粒化和最終熱處理雙重作用能夠有效改善高碳高鉻鋼顯微組織，獲得較為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[13]。1.2.2高碳高鉻鋼處理工藝的研究（1）合金化合金化可以改善高碳高鉻鋼的組織及性能，通過向高碳高鉻鋼中加入鈦、釔、釩、鎳、鉬等合金元素，可以細(xì)化晶粒、改善碳化物形貌進(jìn)而改善淬火回火后的碳化物形態(tài)。RezaRazavinejad在熔煉過程中，向高鉻高碳(12%Cr-2%C)鋼中加入0.3-1%的鈦。添加0.3%的鈦?zhàn)阋詼p少宏觀偏析，但對晶粒尺寸沒有顯著影響；添加0.7%和1%的鈦對合金的縱向晶粒尺寸有較大影響，細(xì)化了初生碳化物組織。鐵液凝固前析出的細(xì)小TiC碳化物的形成是初生先共晶奧氏體晶粒的核心。北京科技大學(xué)李天生研究了Nb含量對H13鋼奧氏體晶粒大小的影響。實(shí)驗(yàn)表明，隨著Nb含量的增加奧氏體晶粒得到細(xì)化。提高Nb的含量后，鋼中未溶碳化物的數(shù)量也逐漸增加，且多數(shù)分布于晶界。正是因?yàn)榫Ы缟洗嬖谖慈芴蓟?，它們與晶界的相互作用阻礙了晶界的迀移，增加了晶粒長大的阻力，所以當(dāng)提高奧氏體化溫度時，Nb含量高的H13鋼的奧氏體晶粒更加細(xì)小[14]。Yang研究了稀土對高碳高鉻鋼夾雜物和沖擊韌性的影響。夾雜物體積分?jǐn)?shù)隨稀土含量的增加而穩(wěn)定增加，但稀土含量為0.018%時，夾雜物體積分?jǐn)?shù)比不含稀土的高碳高鉻鋼小而分散，而稀土含量的不斷增加導(dǎo)致了夾雜物尺寸的增大趨勢和夾雜物分布的逐漸惡化。稀土能改善高碳高鉻鋼的橫向沖擊韌性和各向同性，對稀土合金化改性高碳高鉻鋼，稀土含量的增加使其橫向和縱向沖擊韌性不斷提高，直至稀土過量[15]。（2）變質(zhì)處理關(guān)于變質(zhì)處理的機(jī)理，張承甫等人將其歸納為界面能理論、界面共格對應(yīng)理論、偏析系數(shù)理論和Tashis參數(shù)等[16]。張景輝等人根據(jù)化學(xué)鍵理論，通過詳細(xì)的計算，推導(dǎo)出了鍵參數(shù)函數(shù)圖，并且指出：對于小平面方式生長的合金，Li、Na、K、Cs、Rb、Ba、Sr、Y、Ca、Ce、La、Sc、Mg等元素均有孕育或變質(zhì)的作用[17]。鄧林的研究了K/Na和V變質(zhì)對H13鋼的影響，研究發(fā)現(xiàn)，使用強(qiáng)碳化物形成元素V來部分替代Cr，提高在整個基體中分散分布的細(xì)小顆粒碳化物比例，并且把Cr元素“擠出”碳化物，H13鋼減少1%的Cr元素含量，提高約0.48%的V含量，可以使模具鋼擁有優(yōu)于H13熱作模具鋼的回火穩(wěn)定性以及硬度，K/Na變質(zhì)劑可以凈化模具鋼金屬液促使網(wǎng)狀碳化物斷網(wǎng)，H13鋼的硬度和沖擊韌性都顯著提高了[18]。Ce/La變質(zhì)處理D2鋼后，M7C3碳化物的形貌、尺寸和分布發(fā)生了很大變化。在熱處理過程中，碳化物網(wǎng)絡(luò)趨于斷裂，所有碳化物在基體中均得到細(xì)化和均勻分布，碳化物的尺寸減小，碳化物的溶解增加。在不降低合金硬度的情況下，合金的韌性提高了75%左右[19]。（3）熱處理高碳高鉻鋼有較高的C含量和Cr含量，形成M7C3型碳化物和合金化很高的馬氏體，因此高碳高鉻鋼具有高硬度。由于Cr的大量存在，共晶反應(yīng)時析出的大量共晶碳化物(主要是硬度很高的(Fe，Cr)7C3碳化物)極為穩(wěn)定，常規(guī)熱處理無法細(xì)化。共晶碳化物分布不均勻，會降低材料的塑性、韌度。為了改善共晶碳化物的形態(tài)和分布，高碳高鉻鋼通常需要進(jìn)行預(yù)備熱處理，以獲得球狀珠光體，為后續(xù)淬火、回火提供優(yōu)良的原始組織。1）預(yù)備熱處理由于高碳高鉻鋼的共晶碳化物較多，還有很多形狀不規(guī)則的碳化物，這些共晶碳化物的邊緣呈尖角狀，尖角的共晶碳化物會造成應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生淬火開裂的危害。因此，需要對高碳高鉻鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理，預(yù)備熱處理一般有正火、退火、調(diào)質(zhì)、高溫回火、高溫固溶處理+高溫回火預(yù)處理工藝等，其目的是為了以獲得球狀珠光體，為后續(xù)的熱處理工藝做好組織準(zhǔn)備，降低硬度并改善鋼的切削加工性能。預(yù)先熱處理的一種是球化退火。球化退火工藝，如圖1.1所示。球化退火后的組織為粒狀珠光體+粒狀碳化物，硬度為207～255HB。圖1.1高碳高鉻鋼球化退火工藝圖常規(guī)球化退火工藝效果不理想時，會考慮采用調(diào)質(zhì)處理。與球化退火相比，采用高溫調(diào)質(zhì)工藝使更多的共晶碳化物溶解。這是因?yàn)楦邷卣{(diào)質(zhì)的加熱溫度較高，可以使共晶碳化物更好的溶解，原來在低溫下不能溶解的共晶碳化物可以進(jìn)一步溶解，大塊的共晶碳化物發(fā)生尖角微溶的鈍化現(xiàn)象。圖1.2高碳高鉻鋼調(diào)質(zhì)處理工藝圖文獻(xiàn)比較了球化退火和高溫調(diào)質(zhì)處理的球化效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)球化退火處理后，碳化物顆粒細(xì)小，分布均勻彌散，球化效果最好。2）淬火處理淬火處理的過程決定了過冷奧氏體的晶粒度和碳化物的形態(tài)分布以及其合金元素含量，并且對馬氏體的形態(tài)及回火后鋼的力學(xué)性能都有很大的影響。當(dāng)加熱到Ac1溫度(約810℃)以上時，退火后的粒狀珠光體和共晶碳化物組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和未溶共晶碳化物，隨著溫度升高，共晶碳化物不斷溶解，合金元素進(jìn)入奧氏體，增加了奧氏體中C和Cr的濃度；但如果淬火溫度太高，進(jìn)入奧氏體的合金元素增加，增加量奧氏體的穩(wěn)定性，使淬火組織中殘留奧氏體量增加，會導(dǎo)致硬度下降。一般來說高碳高鉻鋼的晶粒越細(xì)小，其硬度和沖擊韌度越好。隨著淬火加熱溫度的升高，高碳高鉻鋼的晶粒變大。這是因?yàn)殡S淬火加熱溫度的升高，共晶碳化物完全溶解，此時不再有共晶碳化物阻礙奧氏體的長大，并且高溫使奧氏體的形核率和長大速度均增大。3）回火處理高碳高鉻鋼回火目的是消除淬火后產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，調(diào)整組織和硬度。淬火后形成的淬火馬氏體屬于高碳富鉻的過飽和間隙固溶體，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在回火時發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，使高碳高鉻鋼的硬度降低。淬火后鋼的硬度隨回火溫度的升高呈現(xiàn)先降低后增加的變化。當(dāng)回火溫度過高時，馬氏體中析出的碳化物粗化，會導(dǎo)致硬度下降。淬火后試樣在100℃-600℃回火時，受殘留奧氏體分解的影響，沖擊韌度呈先降低后升高的趨勢。這是因?yàn)榛鼗疬^程中，隨溫度的升高，馬氏體大量分解，析出碳化物增多，導(dǎo)致材料的沖擊韌度降低，但回火溫度過高時，組織中的碳化物聚集，沖擊韌度升高。高碳高鉻鋼的回火一般分低溫回火與高溫回火，低溫回火一般是200℃×2h，硬度可達(dá)60～62HRC，高溫回火一般是500×2h，硬度可達(dá)到56～59HRC。如果回火溫度低，高碳高鉻鋼的硬度不會降低太多，但容易使回火不充分，導(dǎo)致殘留應(yīng)力沒有完全消除。適當(dāng)提高回火溫度，可保證高碳高鉻鋼在硬度降低不多的情況下獲得較好的韌度，消除殘余應(yīng)力，獲得良好的力學(xué)性能?；鼗饻囟忍岣叩?00℃時仍能保證高碳高鉻鋼的硬度要求，是因?yàn)槎斡不?yīng)，此時高碳高鉻鋼獲得很好的紅硬性。1.2.3熱處理過程的數(shù)值模擬（1）數(shù)值模擬的特點(diǎn)計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的引入，由于熱處理過程復(fù)雜且難以控制，需要大量財力物力支持的物理實(shí)驗(yàn)仍不能獲得滿意的監(jiān)測結(jié)果，是熱處理研究的一大進(jìn)步。數(shù)值模擬技術(shù)在處理熱處理過程中復(fù)雜耦合關(guān)系時具有明顯的優(yōu)勢。一是利用計算機(jī)的高速運(yùn)算速度，結(jié)合日益成熟的傳熱學(xué)、彈塑性力學(xué)、流場動力學(xué)和數(shù)值方法等，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜熱處理過程的數(shù)值模擬；二是利用計算機(jī)的高速運(yùn)算速度，并與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬；三是利用計算機(jī)的高速運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬；四是利用計算機(jī)的高速運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了對熱處理過程的大量數(shù)據(jù)的可視化和可控性。（2）熱處理數(shù)值模擬技術(shù)研究概況及展望熱加工的計算機(jī)模擬在各國熱處理界都受到極大的關(guān)注。從20世紀(jì)30年代至今的80年代，數(shù)值模擬技術(shù)在一代又一代的研究人員的努力下，取得了許多突破。組織場方面：國外已有學(xué)者提出了鋼在等溫度條件下和連續(xù)變溫條件下的連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線。因此，組織轉(zhuǎn)變問題的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)得到了廣泛的研究，尤其是Avrami方程的提出，為以后的組織轉(zhuǎn)變數(shù)值模擬奠定了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。在20世紀(jì)70年代，Hildenwall將疊加原理應(yīng)用到TTT曲線的數(shù)值模擬和熱處理過程中，解決了原來在數(shù)值模擬中不能使用等溫轉(zhuǎn)變曲線的難題，使TTT曲線在數(shù)值模擬中的作用得到了有效的體現(xiàn)，受到了廣大學(xué)者的歡迎。步入21世紀(jì)后，許多研究人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)力對組織轉(zhuǎn)變的影響不容忽視，他們開始嘗試將應(yīng)力對組織轉(zhuǎn)變的影響納入數(shù)值模擬中，在這方面走在前沿的是基于相變動力學(xué)和非穩(wěn)態(tài)溫度場耦合的計算模擬方法。溫度場方面：20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)、日本等國家，在大量研究傳熱學(xué)和相變動力學(xué)的基礎(chǔ)上，編制了國外淬火過程溫度場計算程序，進(jìn)入80年代后，隨著人們研究的深入和計算機(jī)水平的提高，溫度場數(shù)值模擬中各種非線性問題逐漸得到解決。關(guān)于應(yīng)力場問題，70年代國外學(xué)者采用熱彈塑性模型，用有限元方法進(jìn)行模擬，后來又充分考慮了相變塑性、應(yīng)力等因素的影響，使計算機(jī)數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型更接近實(shí)際生產(chǎn)。在國內(nèi)，淬火冷卻過程的計算機(jī)模擬技術(shù)起步較晚。80年代中期，上海的多個單位開始采用有限差分法計算軋輥熱處理的溫度場。幾年后由于實(shí)際生產(chǎn)的迫切需要，清華大學(xué)等單位開始研究采用有限單元法對大型鍛件的三場耦合模型進(jìn)行計算機(jī)數(shù)值模擬計算，并取得了一定的突破。90年代以來，社會各界學(xué)者對熱處理數(shù)值模擬的研究更加深入，并出版了多項(xiàng)著作。上海交通大學(xué)在反傳熱法及綜合換熱系數(shù)測量的研究上取得突出的成績。如陳乃錄等對“水——空”交替淬火過程的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究及生產(chǎn)設(shè)備等方面進(jìn)行了比較深入的研究。在熱處理領(lǐng)域，淬火槽介質(zhì)流場的分布情況也是影響熱處理質(zhì)量水平的關(guān)鍵因素，燕山大學(xué)李強(qiáng)教授和王葛副教授等在這方面進(jìn)行了較為深入的研究?？傮w來講，我國在淬火技術(shù)的研究及應(yīng)用領(lǐng)域雖然取得了可喜的成績但是與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。經(jīng)過幾十年的不斷努力，熱處理數(shù)值模擬技術(shù)的研究取得了驕人的成績。今后的發(fā)展趨勢是進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型，并向工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用靠攏。淬火過程計算機(jī)數(shù)值模擬的出現(xiàn)，把過去靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行生產(chǎn)變?yōu)楦茖W(xué)地指導(dǎo)生產(chǎn)，對提高熱處理質(zhì)量、優(yōu)化熱處理工藝、降低污染等具有現(xiàn)實(shí)意義。1.3主要研究內(nèi)容本文對高碳高鉻鋼Cr12熱處理過程模擬進(jìn)行研究，具體研究內(nèi)容如下：第一章是緒論，主要概述課題研究背景、意義，綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出課題研究的主要內(nèi)容；第二章是熱處理數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論，主要是介紹有限元分析方法與特點(diǎn)，闡述在溫度場模擬中介紹了用于模擬傳熱過程的三種邊界條件以及相變潛熱的處理方法，作為研究的理論基礎(chǔ)；第三章是高碳高鉻鋼Cr12熱處理過程有限元建模，以高碳高鉻鋼Cr12材料為對象，采用ANSYS軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、單元類型選擇、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，得到完整的有限元分析模型；第四章是熱處理過程數(shù)值模擬結(jié)果分析，主要是對其溫度場與應(yīng)力場變化規(guī)律進(jìn)行分析，研究了在加熱和冷卻時試樣不同區(qū)域的溫度差異情況，并以此為基礎(chǔ)研究了不同溫度回火時材料內(nèi)部馬氏體組織以及回火馬氏體組織含量的變化情況。最后是結(jié)束語。2熱處理數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論2.1溫度場模擬淬火過程主要包括加熱和冷卻兩個階段，溫度對于材料內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變以及應(yīng)力應(yīng)變的產(chǎn)生影響很大，因此在對熱處理過程進(jìn)行數(shù)值模擬之前必須建立正確的溫度場模型。溫度場的模擬非常復(fù)雜，它涉及到邊界條件的選擇以及相變潛熱的處理等問題。2.1.1溫度場導(dǎo)熱方程關(guān)于熱傳導(dǎo)，傅里葉在1882年提出了熱流密度與溫度梯度之間的關(guān)系，他認(rèn)為熱流密度q與溫度梯度成正比，表達(dá)式如下：式中，qx為x方向單位面積的熱流率，也叫做熱流密度，單位是(W/m2)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位是(W/m2·℃)；為x方向的溫度梯度，單位是(℃/m)。在直角坐標(biāo)系下，三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為：式中，T為工件溫度(℃)；t為過程進(jìn)行時間(s)；ρ為材料密度(kg/m3)；qν為相變潛熱(J/m3)；pc為材料的定壓比熱(J/kg·℃)；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m2·℃)。2.1.2初始條件初始溫度條件就是熱處理過程的初始溫度場，如果溫度場是均勻的，則式中，T0代表初始時刻溫度，它是已知的常量。如果初始溫度是不均勻的，但已知工件各點(diǎn)的溫度，則式中，T0(x，y，z)為已知溫度函數(shù)。2.1.3邊界條件在淬火過程中無論是加熱還是冷卻，工件與加熱爐以及冷卻介質(zhì)之間都存在著非常復(fù)雜的熱交換，只有選用合適的邊界條件才能最大程度地準(zhǔn)確模擬熱處理過程。2.2熱處理相變模擬熱處理能夠改變材料各項(xiàng)力學(xué)性能的重要原因就是在加熱和冷卻過程中材料內(nèi)部金相組織不斷發(fā)生變化。相的變化除了直接影響材料最終的各項(xiàng)性能，還會造成熱處理過程中的溫度場以及材料內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變的改變，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇相變模型對于獲得準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果至關(guān)重要。2.2.1按等溫轉(zhuǎn)變曲線模擬過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(也稱為C曲線)是制定材料淬火工藝的重要依據(jù)，它是在鋼的不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線的基礎(chǔ)上測定的，主要用于描述轉(zhuǎn)變所得組織和轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變溫度和時間之間的關(guān)系。在模擬材料熱處理冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變時必須依據(jù)材料的C曲線進(jìn)行模擬計算。2.2.2按連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線模擬淬火實(shí)際是連續(xù)冷卻過程，為了準(zhǔn)確模擬淬火時的組織變化情況就需要依靠鋼的連續(xù)冷卻曲線(也稱為CCT曲線)。2.2.3等溫轉(zhuǎn)變與連續(xù)轉(zhuǎn)變的關(guān)系等溫轉(zhuǎn)變過程和連續(xù)冷卻過程有著非常密切的關(guān)系，兩者可以相互轉(zhuǎn)換。在加熱過程中會發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，珠光體的奧氏體化過程包含形核及長大兩個過程，該過程的動力學(xué)表達(dá)式如下：式中，xe(t)為擴(kuò)展體積；v(t，τ)為線長大速率；l(τ)為形核率；R(t，τ)為新核半徑。3熱處理過程建模在工業(yè)生產(chǎn)中最常用的熱處理工序是淬火和回火，淬火后材料的強(qiáng)度及硬度可以得到明顯的提升，但塑韌性往往會有所降低。為了消除淬火后工件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力，減少內(nèi)部畸變，平衡強(qiáng)度與韌性之間的關(guān)系，就需要對淬火工件進(jìn)行一定溫度的回火處理。3.1熱處理工藝流程的制定高鉻鋼復(fù)合軋輥采用高鉻、高碳的設(shè)計，旨在提高硬度和耐磨性，但同時，由于組織中碳化物含量過高，將共晶碳化物連接成粗大的網(wǎng)狀組織。在軋輥使用過程中，這種網(wǎng)狀碳化物對基體有很大的破壞作用，導(dǎo)致高碳高鉻鋼的韌性和抗疲勞性能嚴(yán)重下降。通過高溫固溶處理，可使碳化物溶解，促進(jìn)碳原子的均勻擴(kuò)散，在高溫保溫過程中，碳化物發(fā)生?；潜厝滑F(xiàn)象，通過設(shè)計合適的熱處理工藝，可改變碳化物的析出方式，使高碳高鉻鋼形成網(wǎng)狀共晶碳化物網(wǎng)溶，使合金碳化物在晶粒內(nèi)析出，即能提高硬度，又能提高沖擊韌性。為此，本文對高碳高鉻鋼的熱處理工藝進(jìn)行了研究，在變質(zhì)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱處理，使高碳高鉻鋼中網(wǎng)狀碳化物的細(xì)弱和尖角溶解，形成塊狀和棒狀結(jié)構(gòu)。因此，解決了高碳高鉻鋼軋輥韌度低、熱疲勞穩(wěn)定性差的問題。因此所采用的具體熱出工藝是高溫固溶淬火+高溫回火。由于高碳高鉻鋼Cr12中含有多種合金元素，因此在制定熱處理工藝時就必須考慮合金元素對于鋼熱處理的影響。首先除Co元素以外，大多數(shù)合金元素都有穩(wěn)定過冷奧氏體的作用，特別是碳鋼在加入B、Mn、Mo、Cr、Ni、Si等合金元素后，會減緩?qiáng)W氏體向珠光體組織的轉(zhuǎn)變，這就使鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（通常稱為“C曲線”）右移，這樣即使在較低的冷卻速度之下材料內(nèi)部也不會發(fā)生奧氏體向珠光體或其他非馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高鋼的淬透性，也就是獲得馬氏體的能力。為了降低淬火冷卻時試樣內(nèi)部的應(yīng)力以及熱處理后的變形和開裂，合金鋼宜選用冷卻能力較弱的冷卻劑，本次模擬和實(shí)驗(yàn)選用的是淬火油。需要指出的是加入到碳鋼中的合金元素必須完全進(jìn)入奧氏體中才能提升鋼的淬透性，未完全溶解的合金元素如果以碳化物的形式存在就會加速珠光體的形成進(jìn)而降低鋼的淬透性。因此在淬火時加熱到指定的溫度后要進(jìn)行一定時間的保溫，這樣做不僅是要減少工件的內(nèi)外溫差，降低工件內(nèi)部的熱應(yīng)力，使工件整體達(dá)到奧氏體化溫度，還可以使合金元素充分溶于奧氏體中，達(dá)到提高淬透性的作用。在回火過程中，合金元素可以延緩馬氏體的分解以及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變進(jìn)而提升鋼對于回火軟化的抵抗能力，提升耐回火性，這類合金元素包括V、Si、Mo、W、Ni、Co等。對合金鋼進(jìn)行回火時要注意避免產(chǎn)生回火脆性，第一類回火脆性通常發(fā)生在250~350℃之間，它是不可逆的，因此需要采用低溫回火，在消除殘余應(yīng)力的前提下盡量防止出現(xiàn)晶界斷裂等脆性特征。針對高碳高鉻鋼Cr12的實(shí)際情況淬火時工件在890℃下保溫1h后油淬冷卻0.5h。回火時為了探究溫度對鋼各項(xiàng)力學(xué)性能的影響，對于淬火后的工件分別在200℃、250℃以及300℃下保溫2.5h后空冷。3.2模擬試樣的幾何模型為了探究熱處理對于鋼材力學(xué)性能的影響，就需要將高碳高鉻鋼Cr12鋼試樣加工成拉伸試樣，試樣的形狀及尺寸如圖3.1所示：圖3.1拉伸試樣平面圖(mm)注：試樣原始標(biāo)距L0=40mm；試樣平行長度Lc=56mm；試樣總長度L=104mm；比例系數(shù)k=5.65；3.3熱處理模擬計算建模3.3.1ANSYS有限元軟件有限元法是以變分原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用了有限差分法中離散的思想的一種有效的數(shù)值解法。有限元法的中心思想即為將連續(xù)體離散，對離散單元進(jìn)行積分運(yùn)算，從而將原來的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。有限元法最主要的處理問題的手段是考慮單元而不是考慮連續(xù)體，從而使其擁有較大的靈活度和廣泛的適用性。因?yàn)榭梢匀我膺x取單元，因而對于形狀非常復(fù)雜的物體有限元法也能進(jìn)行處理；另外，如果物體是由多種材料組成的，可以將單元的界面設(shè)置為不同材料的分界面，這樣就能解決材料不一致的問題。同時，根據(jù)解決問題的需要，可以在一部分求解區(qū)域把網(wǎng)格或節(jié)點(diǎn)設(shè)置較密，在另外一部分設(shè)置為較稀疏。例如：對于焊接工程的模擬，在焊道及焊道附近，應(yīng)設(shè)置較密的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格，包括熱源覆蓋區(qū)域、熱影響區(qū)域；在遠(yuǎn)離焊道的地方，可以設(shè)置成較稀疏的網(wǎng)格，從而提高計算速度。ANSYS作為一款大型通用有限元軟件，集前處理、模型求解、后處理功能于一體。ANSYS可用于結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析等。用ANSYS來模擬溫度場以及應(yīng)力場、應(yīng)變場是一個非線性的數(shù)值模擬問題。ANSYS常用方法可分為直接法與間接法。直接法在前處理中采用耦合單元，對溫度場以及應(yīng)力場、應(yīng)變場進(jìn)行同時模擬，同時分析計算。進(jìn)而一并得到溫度以及應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值結(jié)果。間接法則先對焊接件的溫度場進(jìn)行模擬，通過分析計算得出溫度場。然后將溫度場的數(shù)值帶入到對應(yīng)力應(yīng)變場的分析之中。從而得出應(yīng)力場、應(yīng)變場的數(shù)值結(jié)果。利用ANSYS分析時，一般只考慮溫度場對應(yīng)力應(yīng)變場的影響，不考慮應(yīng)力應(yīng)變場對溫度場的影響，即所謂的單項(xiàng)耦合模式。一個典型的ANSYS分析過程包括三個部分：預(yù)處理、加載解和后處理。預(yù)處理過程包括定義工作文件名和標(biāo)題、選擇分析類型、定義元素類型、定義實(shí)元素常量、定義材料屬性、創(chuàng)建模型和網(wǎng)格劃分等。加載解決方案過程包括定義分析類型和分析選項(xiàng)、應(yīng)用加載和約束、設(shè)置加載步驟選項(xiàng)和計算解決方案。后處理是指加載方案完成后，在后處理階段顯示結(jié)果。一般的后處理包括讀取結(jié)果數(shù)據(jù)、圖形化地顯示計算結(jié)果以及在列表中顯示計算結(jié)果。3.3.2ANSYS有限元法熱分析步驟是一個靜態(tài)分析過程，主要包括前處理、求解和后處理三個階段。（1）前處理模塊前理用于確定解決方案所需的值。建立有限元模型是求解分析問題的關(guān)鍵。計算的復(fù)雜性和結(jié)果的有效性與建立的有限元模型密切相關(guān)。因此，建立一個合理的模型是整個過程和分析過程中最重要的部分、最耗時的部分[12]。建立幾何模型：①自頂向下與自底向上。如果在模型的頂層自由定義基本體，例如稱為基本體的球體和棱柱體，程序?qū)⒆詣訖z測相關(guān)區(qū)域、線和關(guān)鍵點(diǎn)。目前，幾何模型是直接使用這些高級原語構(gòu)建的。②ANSYS程序有完整運(yùn)算，可將建好的模型直接導(dǎo)入。③ANSYS還具有了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動實(shí)體模型圖元的功能這一點(diǎn)和很多三維建模軟件很相似。在建立連續(xù)模型時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作過程對有限元模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，然后根據(jù)建立的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模。（2）求解模塊有限元分析的主要目的：因此，這一次，要測試結(jié)構(gòu)對特定荷載的響應(yīng)，需要創(chuàng)建生成的三維模型的任意網(wǎng)格，以便在分析中提供該荷載條件。這一步更重要。為了使仿真更接近真實(shí)世界，更好地反映真實(shí)設(shè)計的功率狀況，必須在合理的負(fù)載下實(shí)現(xiàn)。同時，適當(dāng)?shù)那蠼饪梢蕴岣呓獾木?，減少計算所需的時間。流程如下。①模型導(dǎo)入；②進(jìn)入ANSYS求解器；③類型和選項(xiàng)定義的分析；④加載模型；⑤求解；⑥處理結(jié)果的保存。（3）后處理模塊后處理從結(jié)果文件中提取選定的數(shù)據(jù)，并以圖像和數(shù)據(jù)列表的形式顯示出來，以供分析和評估。通過用戶界面可以得到?jīng)Q策過程的計算結(jié)果，并進(jìn)行計算。。3.3.3有限元建模3.3.3.1材料屬性材料屬性和所建立模擬的形狀基本沒有關(guān)系，而是與要分析的問題所處的環(huán)境條件有關(guān)，環(huán)境條件不同則材料屬性頁不有所不同，應(yīng)力應(yīng)變分析和溫度場分析需要設(shè)定的材料屬性就基本上不同。由于熱處理溫度場的模擬計算屬于非線性瞬態(tài)熱分析，因此需要給定所需材料的屬性參數(shù)隨溫度變化而變化的數(shù)值。Cr12鋼是被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的一種鋼材，常被用于制造各種形狀復(fù)雜、工作條件繁重的冷作模具，同時在煤炭工業(yè)和運(yùn)輸行業(yè)也有很好的應(yīng)用，Cr12鋼屬高碳高鉻類型的萊氏體鋼，包含多種金屬元素，Cr12鋼的化學(xué)成分如表3.1所示表3.1Cr12鋼的化學(xué)成分成分CCrMSPS其它含量w%2.00-2.3011.50-13.00≤0.40≤0.40≤0.030≤0.030≤0.025在賦予Cr12鋼材料屬性時，不能只考慮其密度、硬度等屬性，還要綜合考慮其彈性模量，泊松比，應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)等與形變有直接關(guān)系的參數(shù)。這樣才能使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。表3.2列出了Cr12鋼的主要性能參數(shù)。表3.2Cr12鋼的主要性能參數(shù)彈性模量（GPa）硬度（HRC）密度（g·cm-3）泊松比210607.80.3應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)bc（MPa）bb（MPa）1220026002000244013.3.3.2網(wǎng)格劃分ANSYS軟件常用自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種網(wǎng)格劃分方式。自由網(wǎng)格劃分不限制單元形狀，生成不規(guī)則的單元網(wǎng)格。映射網(wǎng)格劃分則限制單元形狀，要求單元形狀要有一定規(guī)則，生成的單元網(wǎng)格也只有四邊形或者三角形，而體單元只有六面體。由于映射網(wǎng)格生成規(guī)則的單元，因此可以更好的控制載荷的施加和收斂。有限元分析過程中，通常情況下，細(xì)化網(wǎng)格可以更精確的計算結(jié)果。與四面體網(wǎng)格相比，六面體網(wǎng)格在運(yùn)算中的精確度更高、更有利于保持運(yùn)算流暢，它的抗變形性能也更好，因此在條件允許的情況下應(yīng)該優(yōu)先選擇六面體網(wǎng)格。但六面體網(wǎng)格對于試樣幾何形狀要求較高，比較復(fù)雜的外形劃分起來比較困難，為此研究人員專門開發(fā)了一些用于有限元網(wǎng)格劃分的軟件。本文利用ANSYS軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能對幾何模型進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3.2所示：圖3.2拉伸試樣的網(wǎng)格劃分3.3.3.3邊界條件設(shè)置邊界條件的定義主要是為了約束構(gòu)件的自由度，而且要具體情況具體分析。邊界條件的施加既不能阻礙加熱過程應(yīng)力的自由釋放和由此產(chǎn)生的自由變形又要防止鋼件在加熱過程中產(chǎn)生的剛性位移。定義環(huán)境參考溫度，如果鋼件在加熱前沒進(jìn)行預(yù)熱，則環(huán)境參考溫度為室溫，否則為預(yù)熱溫度。在施加載荷之前，應(yīng)讀入熱分析所得溫度場的節(jié)點(diǎn)溫度并設(shè)置相應(yīng)的時間點(diǎn)和載荷步長等選項(xiàng)。若載荷步為多個，則計算可通過如下循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)：*do，I，l，5／soluantype，，restldread，temp，，，0.2*i，，，rthtime，0.2*ideltim，0.1，0.01，0.1solve*enddo冷卻是熱處理過程中非常關(guān)鍵的一步，冷速不同就會得到不同的金相組織以及最終的力學(xué)性能。工件與介質(zhì)之間的熱交換情況是非常復(fù)雜的，它主要是由冷卻介質(zhì)的對流系數(shù)決定的，但同時也受到工件的工作環(huán)境、形狀和尺寸等因素的影響。在模擬工件冷卻過程時對于邊界條件的選擇是比較麻煩的，因?yàn)樗ǔ跏辑h(huán)境溫度、不同階段工件與介質(zhì)之間的傳熱方式以及介質(zhì)對流系數(shù)的變化等問題。為了簡化這一問題，在這里認(rèn)為工件與淬火油之間的傳熱形式為輻射加對流的綜合換熱形式，綜合換熱系數(shù)H=Hk+Hs，Hk代表對流換熱系數(shù)，Hs代表輻射換熱系數(shù)。在本次模擬中試樣與接觸介質(zhì)(淬火油)之間的對流系數(shù)如圖3.3所示：圖3.3對流系數(shù)從圖中可以看出淬火油的對流系數(shù)隨著溫度的升高先增大后減小，這是因?yàn)楫?dāng)高溫零件進(jìn)入淬火介質(zhì)瞬間由于零件與淬火介質(zhì)的溫差很大，部分介質(zhì)被汽化形成蒸汽膜，覆蓋在零件表面，這就是蒸汽膜階段。在這個階段熱傳遞是以傳導(dǎo)及輻射穿過蒸汽屏障，因此冷卻速度很小。隨著冷卻過程的進(jìn)行，零件表面溫度持續(xù)下降，蒸汽膜越來越不穩(wěn)定并最終破裂，這就進(jìn)入了沸騰階段。蒸汽膜消失之后，淬火介質(zhì)直接與試樣表面相接觸，這時淬火介質(zhì)從零件上吸收大量的熱并以氣泡的形式逸出，而新的介質(zhì)會繼續(xù)吸收零件熱量持續(xù)沸騰，此時的冷卻速度最大。隨著零件溫度的進(jìn)一步降低，沸騰現(xiàn)象結(jié)束，此時進(jìn)入對流傳熱階段。沸騰階段之后與試樣接觸區(qū)域的冷卻介質(zhì)溫度升高，但離試樣較遠(yuǎn)區(qū)域的介質(zhì)溫度較低，不同溫度的介質(zhì)之間就產(chǎn)生了對流現(xiàn)象，這個階段的冷卻速度較小。4熱處理數(shù)值模擬結(jié)果及分析4.1溫度場模擬結(jié)果在加熱及冷卻過程中由于熱量的傳遞需要一定時間，所以試樣內(nèi)部與外部受熱環(huán)境并不相同，這就造成了試樣不同區(qū)域產(chǎn)生不同的相變并最終得到不同的金相組織和力學(xué)性能，所以應(yīng)首先觀察整個試樣的溫度場分布。為了方便觀察分析，沿試樣A-A截面橫向從截面中心到邊緣的距離上等距離選取三個觀察點(diǎn)P1、P2、P3，如圖4.1所示：圖4.1觀察點(diǎn)分布示意圖整個熱處理過程分為淬火加熱、保溫、冷卻以及回火加熱、保溫和冷卻等幾個過程，由于傳熱條件的差異所以不同階段三個觀察點(diǎn)的溫度情況并不相同。在加熱及冷卻時由于工件尺寸的原因，表面觀察點(diǎn)比芯部的觀察點(diǎn)較早地升溫或降溫，而在保溫階段由于傳熱時間較長所以三個觀察點(diǎn)在同一時間的溫度幾乎相同。不同階段溫度情況如圖4.2所示：(a)淬火加熱階段溫度變化(b)淬火冷卻階段溫度變化(c)回火保溫階段溫度變化圖4.2200℃回火時試樣不同階段溫度變化圖250℃及300℃回火試樣上的觀察點(diǎn)溫度變化情況與200℃回火試樣情況類似，具體的溫度變化如圖4.3所示：（a）250℃回火（b）300℃回火圖4.3溫度變化示意圖4.2相變模擬結(jié)果由于現(xiàn)實(shí)條件的限制，傳統(tǒng)的熱處理研究方法往往只能針對某種熱處理后試樣中所包含的相的種類、分布及含量等進(jìn)行研究，對于相的動態(tài)變化往往無能為力。通過有限元模擬我們可以清楚地了解熱處理過程中材料內(nèi)部相的變化情況。高碳高鉻鋼Cr12在淬火和回火過程中會出現(xiàn)多種復(fù)雜相變并產(chǎn)生多種金相組織如奧氏體(Austenite)、馬氏體(Martensite)、珠光體(Pearlite)和回火馬氏體(TemperMartensite)等。由于馬氏體及回火馬氏體的含量和分布會直接影響材料最終的強(qiáng)硬度和塑韌性等力學(xué)性能，所以下面著重討論在淬火和不同溫度回火下二者的變化情況。4.2.1馬氏體含量的變化馬氏體的形成與溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度下降到馬氏體形成溫度Ms點(diǎn)以下時馬氏體組織開始形成。此外馬氏體相變屬于連續(xù)轉(zhuǎn)變，只有溫度不斷降低馬氏體轉(zhuǎn)變才能不斷進(jìn)行。由于采用相同的淬火溫度、淬火介質(zhì)以及冷卻時間，所以三種回火溫度下的試樣經(jīng)過淬火后材料內(nèi)部馬氏體分布相同，因此我們以200℃回火的試樣為例研究淬火后試樣內(nèi)部馬氏體的變化情況。由于試樣內(nèi)外層存在溫差所以不同區(qū)域馬氏體的形成時間也不相同，冷卻過程中不同區(qū)域溫度的變化情況如圖4.4所示：圖4.4淬火冷卻過程觀察點(diǎn)溫度變化從圖4.4可以看出：(1)由于試樣外層首先接觸冷卻介質(zhì)，所以在整個冷卻階段同一時間從外到內(nèi)觀察點(diǎn)溫度逐漸升高。(2)隨著冷卻過程的進(jìn)行，傳熱越來越充分，三個觀察點(diǎn)之間的溫度差異逐漸減小并最終趨近于零。正是由于不同區(qū)域冷卻情況不同，所以整個試樣的馬氏體分布就呈現(xiàn)出了先外后內(nèi)的特點(diǎn)，具體的分布情況如圖4.5所示：第700步第720步第730步第830步圖4.5淬火過程馬氏體相含量的變化從圖4.5中可以看出：(1)馬氏體最先出現(xiàn)于試樣的表面，隨著時間的推移芯部也出現(xiàn)了馬氏體，總體上外部含量高于芯部并最終趨于一致。(2)馬氏體含量的峰值為88.7%，也就是說淬火后材料內(nèi)部除了馬氏體相以外還含有少量的其他相。淬火的目的就是要得到馬氏體相進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度和硬度，理想情況下希望得到盡可能多的馬氏體相。但馬氏體轉(zhuǎn)變屬于降溫轉(zhuǎn)變，只有不斷降低溫度才會有新的馬氏體片形成，但多數(shù)鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度(Mf點(diǎn))都在室溫以下，甚至更低，因此在冷卻到室溫之后馬氏體轉(zhuǎn)變就會停止。由于馬氏體密度小于奧氏體的密度，所以當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時會發(fā)生體積膨脹，由此造成的壓應(yīng)力會阻止奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。殘余奧氏體的存在會降低材料的硬度以及耐磨性，而且由于殘余奧氏體的不穩(wěn)定性，隨著時間推移會繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這會導(dǎo)致試樣尺寸發(fā)生改變，對生產(chǎn)制造產(chǎn)生不利影響。為了盡可能地消除殘余奧氏體通常需要對材料進(jìn)行低溫回火。當(dāng)在Ms點(diǎn)以下回火時，殘余奧氏體會發(fā)生應(yīng)力松弛，這樣就會繼續(xù)完成馬氏體轉(zhuǎn)變。為了探究回火溫度對材料中相的影響，分別模擬在200℃、250℃及300℃下材料的回火過程?；鼗鸷篑R氏體相的變化情況如圖4.6所示：（a）200℃回火（b）250℃回火（c）300℃回火圖4.6不同回火溫度馬氏體含量的變化從圖中可以看出：（1）在淬火加熱、油冷，回火加熱及空冷等不同的熱處理階段馬氏體的含量并不相同。（2）油冷階段馬氏體的含量達(dá)到峰值88.7%，在之后的回火階段馬氏體含量都有降低的趨勢，但隨回火溫度的不同下降程度也不同。這是由于溫度越高越有利于原子的移動，馬氏體分解程度也就越大。除此之外在空冷階段馬氏體含量降低并不明顯。（3）在200℃回火時試樣內(nèi)部的馬氏體含量比淬火后馬氏體的含量減少的并不顯，最終達(dá)到了80.7%。在250℃回火時馬氏體含量減少比較明顯，回火后減少到35.4%。隨著回火溫度的繼續(xù)升高，馬氏體含量進(jìn)一步降低，在300℃回火時馬氏體最終的含量為22.0%。4.2.2回火馬氏體含量的變化鋼在淬火后得到的是非平衡的馬氏體組織，具有較高的硬度及淬火應(yīng)力，這就導(dǎo)致材料脆性較大，因此一般很少直接應(yīng)用。回火后材料硬度會有所下降，淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會得到釋放，材料的塑韌性會得到提升。通過不同溫度的回火可以在很大程度上提升材料的綜合力學(xué)性能，從而滿足不同機(jī)械零件對性能的要求。材料在淬火后會生成大量的馬氏體組織，此外還可能存在少量殘余奧氏體。這兩種組織所含的能量很大，都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定的條件下會繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變并趨于穩(wěn)定。溫度較低時原子遷移緩慢，不利于相變的進(jìn)行。隨著回火溫度的升高，原子活動能力加強(qiáng)，回火時溫度越高，原子移動速度越快，組織轉(zhuǎn)變也就越容易，并且隨著組織的變化，鋼的性能也會發(fā)生相應(yīng)的變化?；鼗鸷蟛牧蠌?qiáng)硬度降低，塑韌性提高的根本原因是在回火加熱保溫過程中發(fā)生了馬氏體分解、碳化物的析出、聚集生長、殘奧轉(zhuǎn)變和鐵素體的再結(jié)晶等一系列過程，這些過程是由非平衡態(tài)向介穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)定態(tài)的轉(zhuǎn)變。淬火鋼在低溫回火時馬氏體分解后形成的α相及彌散分布的ε?碳化物組成的復(fù)相組織就是回火馬氏體?；鼗瘃R氏體的含量直接影響著材料的強(qiáng)度、硬度以及塑韌性等力學(xué)性能并且與溫度密切相關(guān)，三種溫度下的回火馬氏體含量變化如圖4.7所示：（a）200℃回火（b）250℃回火（c）300℃回火圖4.7不同回火溫度下回火馬氏體含量變化示意圖從圖中可以看出：（1）在200℃回火時試樣中回火馬氏體的含量較少，只有10.4%，試樣內(nèi)部主要還是以馬氏體組織為主。這主要是因?yàn)樵?00℃回火時溫度較低，碳原子活動能力很有限，只能在很短距離內(nèi)遷移，在馬氏體內(nèi)部只有碳原子的聚集而沒有碳化物析出，所以整個組織仍以馬氏體為主。（2）伴隨回火溫度升高，碳原子遷移能力加強(qiáng)可以做較長距離的擴(kuò)散，馬氏體不斷地分解，碳化物開始析出和長大，回火馬氏體含量逐步增加，在250℃回火時回火馬氏體的含量達(dá)到了57.7%。（3）溫度進(jìn)一步升高，碳原子活動能力更強(qiáng)，馬氏體分解更加徹底，回火馬氏體含量進(jìn)一步增加，在300℃時回火馬氏體的含量達(dá)到了71.9%。（4）無論是哪種回火溫度，在油淬冷卻階段均出現(xiàn)了約為10%左右的回火馬氏體。這是因?yàn)樵诶鋮s初始階段試樣溫度很高，與淬火油接觸后整個系統(tǒng)溫度上升很快，試樣表面形成的淬火馬氏體處在一個較高的溫度環(huán)境中相當(dāng)于開始了回火過程，這就是“自回火”。隨著淬火冷卻過程的進(jìn)行，整個體系溫度下降，回火過程中止，回火馬氏體的含量也就保持穩(wěn)定。（5）在200℃和250℃回火時，可以看到在回火的