【摘要】：熱處理是金屬熱加工過(guò)程中的一道重要工序,對(duì)提高材料性能有著重要的作用。而熱處理過(guò)程是一個(gè)多場(chǎng)耦合的復(fù)雜過(guò)程,有很多現(xiàn)象難以用單純的理論解析或試驗(yàn)來(lái)處理。例如在淬火過(guò)程中,工件內(nèi)部溫度分布不均勻、相變不同時(shí)等會(huì)產(chǎn)生不同的組織和應(yīng)力分布,不僅會(huì)影響到零部件的性能,甚至可產(chǎn)生淬火裂紋致使報(bào)廢。所以對(duì)淬火過(guò)程的深入理解和準(zhǔn)確控制對(duì)于提高機(jī)械零件的產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和熱處理相關(guān)學(xué)科的發(fā)展為熱處理過(guò)程的數(shù)值模擬奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文以傳熱學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),建立了描述軸類鍛件淬火過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型,用有限元模擬軟件Deform-3D分析了 42CrMo和42CrMo+Ni兩種鋼淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)、組織轉(zhuǎn)變、應(yīng)力場(chǎng)、硬度變化,并對(duì)兩者的熱處理過(guò)程進(jìn)行了比較。選擇這兩種材料的原因是:42CrMo具有比較完整的熱處理數(shù)據(jù)庫(kù),作為模擬的驗(yàn)證材料。42CrMo+Ni是在42CrMo鋼基礎(chǔ)上添加少量Ni以提高淬透性和綜合力學(xué)性能,用于大型軸類鍛件(如風(fēng)電主軸等)的一種新型鋼材,但基礎(chǔ)的熱處理數(shù)據(jù)和工藝模擬工作匱乏,通過(guò)計(jì)算模擬建立其熱處理數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)行工藝模擬。這些工作將為42CrMo+Ni這種新型鋼材的熱處理工藝優(yōu)化和性能優(yōu)化打下良好的基礎(chǔ),具有重要的工程意義。利用JMatPro軟件計(jì)算了 42CrMo鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT圖)、馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)(Ms)、熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)如泊松比、彈性模量、熱膨脹系數(shù),與已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算了42CrMo+Ni鋼的TTT圖、Ms點(diǎn)以及力學(xué)性能參數(shù),建立了較完善的42CrMo+Ni鋼熱處理數(shù)據(jù)庫(kù)。模擬了 42CrMo和42CrMo+Ni的頂端淬火過(guò)程并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,建立了 42CrMo+Ni的淬透性曲線。結(jié)果表明:噴水端溫度下降最快,隨著距噴水端距離的增大,溫度下降的越來(lái)越慢。隨著距噴水端距離的增大,馬氏體轉(zhuǎn)變開始時(shí)間延后,轉(zhuǎn)變量也逐漸減少。端淬初期未開始相變前,近噴水端表現(xiàn)為拉應(yīng)力,當(dāng)近噴水端首先開始馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí),體積膨脹使拉應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài),繼續(xù)冷卻,近噴水端變成拉應(yīng)力,組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的共同作用又使拉應(yīng)力逐漸減小,最后又變?yōu)閴簯?yīng)力。在相同的淬火條件下,工件相同位置處,42CrMo+Ni的硬度高于42CrMo。模擬了軸類鍛件的水淬和油淬過(guò)程,并結(jié)合金相組織和硬度進(jìn)行了驗(yàn)證,建立了組織與硬度對(duì)應(yīng)曲線,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。分析表明:工件表面和內(nèi)部的冷卻速度不同。換熱系數(shù)越大,工件冷卻的越快。試樣尺寸不大時(shí)(Φ≤60mm),42CrMo+Ni鋼水淬以及油淬過(guò)程中均沒有珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變,只有少量貝氏體產(chǎn)生,大部分為馬氏體,油淬產(chǎn)生的貝氏體的含量高于水淬的。在淬火開始階段(相變開始前),表面承受拉應(yīng)力心部受壓應(yīng)力,隨后表面開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,使表面的應(yīng)力狀態(tài)迅速由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,隨著溫度的降低,轉(zhuǎn)變區(qū)開始向內(nèi)部推移,近表面到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn),近表面的相變削弱了表層的壓應(yīng)力,心部也由于近表面的體積膨脹,受到的拉應(yīng)力也迅速升高。隨著溫度的持續(xù)降低,心部也開始馬氏體轉(zhuǎn)變,使心部所受的拉應(yīng)力逐漸降低,并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。組織轉(zhuǎn)變完成后,應(yīng)力的變化基本只受溫度的影響,應(yīng)力值大小有所變化。
【圖文】：

圖１－１淬火過(guò)程中多場(chǎng)互相耦合關(guān)系圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｍｕｌｔｉ－ｆｉｅｌｄ邋ｃｏｕｐｌｉｎｇ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｍｅｔａｌ邋ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑圖１－１中，（１）、（２）為淬火介質(zhì)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)與工件溫度場(chǎng)的相互影響和逡逑作用。逡逑（３）

試驗(yàn)材料與研究方法逡逑４７１Ｎ，加載時(shí)間大約６－７ｓ。在試樣上打點(diǎn)，取其平均值后得到材料的洛氏硬度逡逑。逡逑．２．２金相試樣的制備與觀察逡逑（１）加工試樣：用線切割機(jī)加工所需的金相試樣；逡逑（２）磨制試樣：先用粗砂紙對(duì)試樣進(jìn)行磨制，再對(duì)試樣進(jìn)行細(xì)磨。每換一道逡逑紙時(shí)需將試樣旋轉(zhuǎn)９０邋°將上道砂紙磨出的劃痕磨掉；逡逑（３）拋光：用Ｐ－２型金相試樣拋光機(jī)對(duì)金相試樣拋光；逡逑（４）腐蝕：試樣采用３％硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。逡逑（５）金相組織觀察：將腐蝕后的金相試樣用尼康ＥＰＩＰＨＯＴ３００金相顯微鏡進(jìn)逡逑組織觀察。顯微鏡實(shí)物如圖３－ｌ（ｂ）所示逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG316;TG162

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2653075