40Cr钢连续冷却相变的数值模拟

1、| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/电林和工工艺3 T04H牛隼*期计尊机应用51| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/40Cr钢连续冷却相变的数值模拟畅书申I中屛工学蘆.河粛举曲45QDO"«要：淬火呼却过程中的拥变对瞬莊祖庚场和应力有较大腦响.不文划40Cr稱为研究对繼用務碘武拥合了等 湛转蛮图，采尾总期叠加桧輔宦挣却过程相变的开检时间，給it 了连耀冷却相变动力学的数学模掘计箕式计算了淬火 过建中的拥粗织的百分比.关粹火,栩变¥数值檯拟；等區转变團申圈分类号：TG帖乩创文农帳炽科山文章第号tlDCH-3814 (2(X)

2、1)00051-02Numerical Simulation of the Phase Transformation of 40Cr During Continuous CoolingYANG Shu-shen(.Zhorigyn /ruti/uCe wf Tethnology)Atelrwl： The phaae trfinsiDrmation during quenehin-K lis a greit influence cm the trance nt temperature field and stress. In thi 靜 paper«40Cr was takn an i

3、nvestigfltmK Example. The isDthrinrLal trans for mat ion disgrm was imitated by niMTis of the nmUinoniial The mcvbatiri period 宫tiprpusitioG theorefii was employed to determined the beginning time f pha&e ansformAtipni dlurinK cemtmuaus cooling, The numerhcal siimull 且 ric门 forniuLaiEioii of 匚 o

4、mtiinuou cod ling Ikinetiu was provided in thi p凹pE% The volume fraction of phase ccnstiituents m tht process of qvenchmg calcialaidKey words: quenching； phasic transformationi numFiicA mijhtioni isotherniAl traxisformatiDn digram| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/利用计算机对零杵在淬火挣却过程中的瞬态温 度场及相变组纵分布进行准确的数学模拟，不仅

5、是计 算淬火过程中零杵内应力分布的基础'也是热处理 CAD技术发展的基础，同时还会为实现有目的控制冷 却过程提快科学依据、从而实现鶴处理智能化。園此， 随着计算机技术的飞速就展'婕处理过程的计算机摸 拟受到世界各国热处理畀和计算科学界的重观.金厲材料热处理冷却过程是一个极其复杂的过 程，涉及了金厲学和曲处理原理、传热学、趙弹捜性力 学尊学科内容。在此过程中，給度、相变組织和应力之 同存在着十分复杂的耦合作用"在瞬态温度场的数值 计算中，要用劃大盘的有关零件材料本身的物理性能 数据'要处理相变过程中的潜热，而材料物理性能和相 变潜穗除了与温度有关外，还与组织和相

6、变过程有关， 在计算霹态ifi度场时必颔考專瞬态相变。金属超处理 相变井祈中经常使用的等温转变图（TTT图）和连续 冷却转变图（CCT图），在实际应用中有一定的局限 性"等温转变留是在等覘转变情况下测出的，只适用于 等温转变情况下的相变分折，连续拎却转变图是在预 定冷却条件连续净却情况下测定的，二者均不适用于 一般淬火过程的相变分折，目前尚无统一的描述材料 在不同拎却介质申冷却时的相变和相组咸的变逼相变 动力学表达式。丰文基于孕青期叠加原理+根据等温转 变图，在对40Cr钢痒火冷却过程进行觸骞温度场棋拟 的同时，对其股却过程中的相变进行计算机数值模拟"1淬火冷却瞬态温度场的

7、计算淬火净却过程的瞬态蔼度场的计算基于传热学理 论，可釆用有限元法、边界无法或其他数值计算方法。 本文瞬态温度场的计算采用边畀元法，经边界元法处 理具休过程见文献1）后的矩阵方程为舌F卯一GQ +丄（G” 一用旳F箜=£ffSf矩阵B是由于相变潜超而产生的*欲求解此方 程，必须考虑曲却过程申的相变问题。2瞬态相变的数值模拟*瞬态相变的嫂值模拟的关懐因累有两个】一是相 变的幵始肘间，即确定在何时就生何种相变匚二是相变 数輦*即在一确定时刻相组织的组咸，各种组织所占百 分比"本文采用基于丁TT图的孕育期養加祛来确定相 变的开妬时间和損:生的相变的数董。2 1 TTT®

8、的昜项拟合TTT图粽合反映了过冷奥氏休住不同过冷度下 进行转变的过程.TTT图形状及住置与具体钢种、合 金元案的含量、血始组织、異氏体化覗度及保温时间都 有关系，分析钢的TTT曲觀可以发现*每种粗织转变 的曲线的形狀，相转变时间基本上都是温度的窑项式.| 维普资讯 h ttp:/| 维普资讯 h ttp:/COMPUTER APPLICATIONHot Working Technology 200 LNo. 4可战用通式1卽=A + RT + CT2 + DT3 + “表示'可以通过在曲线上取点ig/*n的方法求出待定 慕数冲、乩门的值从而得出TTT曲线"40Cr钢各 相转变

9、开始和疑止曲线的多项式乘数见表1根据这 些系数作出的曲蜥与400钢的TTT曲线吻合较好.肿o爾害相转变开始彌券止曲燥的拎项式柔er曲栽霑称ABCDttltf*开给-4. taescEi2. 377d»E-l比 7SB13E-79” S2016EE4, 255OEQ-7, 37SO3E-3乩 W69BE-S妹*t体皓束-3. 67G70E2L4U51EQ 2” 4艸LEE-31. 389Sl；E-6ill氐悴开站一毎 51MBE12- 047BBE-J-L B9&45E-4氐 &2914E-?贝氐悴馆*2 0&7B1E23S8&2EO3.121O5E-3

10、2h 29132E-62.2孕育期叠力D法聽定相变开始时间孕育期U.F”）本来是指在等温转变的情况下在 某-耀度下琛温时开始发生相变所需要的时阖其长 短与尊13温度有关.设在:Tifl度下蹲魁转变的孕育期 为乙在该温度下保温2时阿，若&乙貝卩dr/Z 1*则不会产生相变，若= 1朋零件幵始发生相 變ZZ表示孕育期的相对消耗盘，孕育期轴对消耗 量是否大于或等于1*是判断零件是否发生相变的标 准，本文根据这一判据来蹒定相变开始的时间，吋風灿<b)TTT曲线40Cr在淬火冷却时的相变情况比校复杂在不同 的榜却弁质中睜却时.过拎臭氏体可輪发生铁索体、珠 光体*風氐悴或马氏体精变十目前还没

11、有统一的描述材 料在各种条件下的相变形核和新相悅大的动力学表达 式*常见的方法是棍据耗变时是否翁生扩散而采用不 同的计算方法.在淬火冷却廿算机模拟中，对由过挣臭氏甘向铁 索体*珠光体和贝氏体尊扩敬型相变，大多采用AvrB mi等人建査的相变尊温动力学数学模型，结合Scheil 叠加原理计算铁就休、珠光协和闪氏怵转变的相变 量Ls.G _VK = exp （iff 广町 式中卫N为K相的体积百分比数汀为时间诂K和叶 为两个与温度有关的参数可以从林料的尊温转蛮團 求得：_ 1 口1口1 貯就）/1口（1 #婕?_力_吠加/切Lln（l VSJC）臼jt壬 ： 式中严”林为K相转变开始线门）和转变弊

12、止线 （99%）处的体积百分岀量為k和幻斗为相应的时间.对于无扩散的马氏怵相变，常采用V = 1 - exp 0, 011 （Mt - T）计算，为锅的马氏怵开始转变温度.丁为温度©求出相变协积肓便可以计算与组成相体积百分 数有关的物理量，如鶴传导率、相变潜热舜，对这些物 理量均采用线性混合迭则*按各相所占惮按百仿比进 行计算*3计算结果与讨论何桧却曲議ffi 1连蛙越却时孕育期叠加示盘图在零件的连续怜却过穆中、由于睥盍温度场的数 值计算一般都是采用取一校短时间作为时间步长来进 行计算的r可以近似认为在这一较短的时间步按内"金 属发生的是等温转变，可用TTT 来分析，假设已

13、知 其冷却曲线，结合材料的TTT图（示竜如图1）,可将 连续橹却曲线视为在温度丁-丁“丁* 下的尊温过 程等温时何分别为，楓据TTT图上 相应的孕育期，可劭确定在各个温度下 得却所消耗的相对孕育期分别为 gZ、g吃4/ 2,'从宾氏体化诅度）建却到时孕育期的相 对消耗量应为这些相对消耗量的总和，即I.玖巧Z?i + “M2" + += XAr./Zr若I. P. K表示挣却至匚时，相对孕育期已全 部消耗完+开始发生相变a由此即可确定出开始发生栩 变的时间*2,3相变组织的计策根据本文弁绍的方訖，对4tX钢在静火拎却过程飾睥态温度场和相变进frTJfc值计算算例取15X60 （mm圆挥*奥氏休化温度为850 C,淬火弁质为渭水。 数值计算结果表明用本文方法计算的结畢与实际吻合 较好孔由于铜的等温转SfflCTTT图）比较容扇鬧定，也 很容易在手册中査阅到，因此，利用钢的等羯转变图和 孕育期叠那注进行连续冷却情况下的相变的卄算机模 拟，具有很大的优越性；同时利