【摘要】：基于金屬-熱-力耦合理論,建立了C型環(huán)試樣淬火和深冷處理的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模型,探討了淬火和深冷處理過(guò)程中試樣冷卻行為和組織轉(zhuǎn)變對(duì)其應(yīng)力演變和分布的影響。研究表明:淬火和深冷處理過(guò)程中,由于C型環(huán)試樣不同部位的冷卻行為差異,導(dǎo)致溫度變化和組織轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)非同時(shí)性。淬火和深冷處理后,試樣殘留奧氏體的含量分別為15.5%和2%左右,與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。在淬火過(guò)程中,試樣等效應(yīng)力變化曲線先后出現(xiàn)兩個(gè)峰值,其中第一個(gè)應(yīng)力峰值是由于試樣心表溫差引起的熱應(yīng)力所致,第二個(gè)應(yīng)力峰值與試樣心表組織轉(zhuǎn)變的非同時(shí)性引起的組織應(yīng)力密切相關(guān);在深冷處理過(guò)程,試樣心表溫差和心表奧氏體體積分?jǐn)?shù)差峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本保持一致,且比淬火過(guò)程小兩個(gè)數(shù)量級(jí),導(dǎo)致試樣的等效應(yīng)力變化相比淬火過(guò)程要平緩得多。相比于淬火過(guò)程,深冷處理后試樣殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)未發(fā)生明顯改變,但試樣的整體應(yīng)力值有所下降,尤其是在缺口和最大壁厚附近殘余應(yīng)力得到釋放。
【圖文】：

明顯影響，因此C型環(huán)試樣成為研究熱處理應(yīng)力分布和變形的常用工件。本文選用的C型環(huán)試樣，其輪廓及尺寸如圖1所示，其中試樣的外圓半徑(R1)、內(nèi)鏜孔半徑(R2)、缺口寬度(d)、厚度(l)和最大壁厚(h)分別為31.75、18.40、6.35、12.70和23.73mm。C型環(huán)試樣所用材料為SDC99冷作模具鋼，該鋼是在傳統(tǒng)的Cr12MoV冷作模具鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化后自行開發(fā)出的新型高強(qiáng)韌性、高耐磨Cr8系冷作模具鋼。與傳統(tǒng)Cr12MoV相比，其降低了C和Cr的含量，，提高M(jìn)o和V的含量，綜合性能獲得明顯的提高，其化學(xué)成分如表1所示。圖1C型環(huán)試樣幾何形狀示意圖Fig．1GeometryanddimensionsofC-ringspecimen表1SDC99冷作模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table1ChemicalcompositionsofSDC99coldworkdiesteel(massfraction，%)SteelCSiMnCrMoVPSFeSDC990.910.510.308.861.470.30.010.0008Bal．249

材料熱處理學(xué)報(bào)第36卷SDC99冷作模具鋼C型環(huán)試樣熱處理工藝路線如圖2所示，主要分為油淬、液氮深冷處理和空氣中自然復(fù)溫3個(gè)階段。首先將C型環(huán)試樣加熱至1040℃進(jìn)行奧氏體化，保溫30min，然后進(jìn)行油淬至室溫(20℃)，隨后將試樣直接浸入工業(yè)液氮中，并使用雙層保溫罐密封置于陰涼處，進(jìn)行深冷處理，待試樣冷透后(－196℃)取出，放置在室溫條件下自然復(fù)溫。圖2熱處理工藝路線示意圖Fig．2Schematicdiagramofheattreatmentprocess2淬火及深冷處理過(guò)程的數(shù)值模擬本文采用DEFORM湫有限元分析軟件，基于金屬-熱-力耦合理論框架，建立C型環(huán)試樣油淬和深冷處理的數(shù)值模型，如圖3為C型環(huán)試樣的三維有限元計(jì)算模型。為了確保模擬精度，節(jié)約計(jì)算資源，采用細(xì)小的四面體實(shí)體單元對(duì)試樣幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元和節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為50042個(gè)和10294個(gè)。為了保證試樣在油淬和深冷處理過(guò)程中能夠完全冷透，設(shè)置油淬的模擬時(shí)長(zhǎng)為1800s，液氮中深冷處理的模擬時(shí)長(zhǎng)為400s，以溫度作為邊界進(jìn)行控制，時(shí)間步長(zhǎng)增量范圍為0.001～10s。在C型環(huán)試樣油淬和深冷處理的有限元數(shù)值建模過(guò)程中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下:1)在模擬過(guò)程中，室溫和淬火油溫度均設(shè)為20℃，液氮溫度設(shè)為－196℃;2)在油淬和深冷處理過(guò)程中，SDC99冷作模具鋼的物性參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容和彈性模量等被看作為溫度的函數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)獲取，具體內(nèi)容可參考作者前期工作［27］;3)在相變模型的建立過(guò)程中，SDC99冷作模具鋼被看作由奧氏體、珠光體、貝氏體和馬氏體的復(fù)合圖3C型環(huán)試樣的三維有限元模型Fig．3Three-dimensionalfiniteelementmodelofC-ringspecimen相組成，各相的熱膨脹系數(shù)及相變潛熱等參數(shù)均來(lái)自參考文獻(xiàn)［22］;4)為了對(duì)C型環(huán)試樣在淬火及深冷處理過(guò)程中
【作者單位】： 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國(guó)家青年科學(xué)基金(51401117) 國(guó)家自然科學(xué)基金(51171104) 上海大學(xué)創(chuàng)新基金
【分類號(hào)】：TG155

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本文編號(hào)：2533763