ANSYS钢铁零件淬火热力学耦合有限元分析(2)

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2.2 钢球淬火的横向对比 14

3 模拟结果和分析 14

3.1 钢球淬火的分析 14

3.1.1 温度场和等效应力场分布等值线图的分析 17

3.2 钢球淬火的横向对比分析 17

3.2.1 不同淬火温度模拟结果 17

3.2.2 结果分析 42

结论 46

致谢 47

参考文献 48

1 绪论

1.1 引言

热处理是金属材料尤其是钢铁材料生产加工工程中不可缺少的关键环节，而淬火又是热处理中非常重要，机理复杂的一种工艺。淬火质量取决于淬火介质的冷却能力，而淬火能力又受介质种类，共建形状大小。因此，对淬火过程中工件内部温度场，应力场，组织分布，淬火冷却的不均匀性引起的工件畸变开裂等进行大量相关的研究工作具有重要意义。淬火过程是一个温度，相变，应力应变相互影响的高度非线性过程。控制淬火工件的热应变和热应力比较困难，事实上金属及合金淬火时包含了传热、微观组织和力学等现象。淬火内应力是淬火过程中工件内部产生的应力，工件不同部位变温速度的差异是内应力的来源。淬火工件的温度场对淬火工件的残余应力分布和微观组织有重要的影响，因此淬火时温度场的计算成为研究的重点。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。本文采用有限元模拟软件ANSYS，对淬火过程进行模拟。通过有限元分析，进一步研究金属材料在淬火过程中的温度场和应力场。

1.2 淬火过程的研究

1.2.1 钢的淬火

淬火是将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上某一温度(30-50℃)，经过保温后在冷却介质中迅速冷却，获得以马氏体或下贝氏体为主的组织的热处理工艺[1]。

淬火处理的实质就是通过适度冷却调整和控制淬火介质的流速，温度以调整和控制淬火工件的温度场，组织场和应力场以及应变场，使得工件获得所需要的组织，性能和较小的残余应力及残余应变。在淬火冷却过程中，因为零件内部温度分不均匀，组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力，这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当，将会造成零件组织性能达不到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节[5]。

1.2.2 淬火冷却介质

冷却是影响淬火工艺的重要因素之一。为了获得马氏体组织，淬火速度必须大于钢的临界冷却速度Vk。

　　常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理，化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。常用的钢在加热到临界温度以上时，原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比，马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体，获得高硬度，然后在适当温度下回火，使工件具有预期的性能。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力，当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法，淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火四类[6]。