弹簧钢的热处理工艺数值模拟

1、弹簧钢的热处理工艺数值模拟摘要 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。中国的弹簧钢在20世纪50年代曾参照前苏联的弹簧钢牌号，主体为Si-Mn系列的弹簧钢。本课题选用60Si2Mn弹簧钢作为实验的材料，采用淬火和回火的热处理方式，希望通过有限元分析方法，考虑60Si2Mn弹簧钢在热处理过程中的试件瞬态问题、相变潜热问题、变热物性参数问题，以及温度场、显微组织场和内应力场相互耦合问题，建立了热处理过程的有限元计算模型，并通过试验对模型进行了验证，验证模型的可靠性。为实际生产中60Si2Mn弹簧钢热处理工艺的制定划出了范围关键词 弹簧钢 热处理 数值模拟60Si

2、2Mn前言弹簧钢是极其重要的工业用钢，主要用于制造汽车、铁道车辆、拖拉机等结构用板簧、安全阀弹簧、螺旋弹簧，也用于重型机械的减震器和承受高交变载荷工作下的大型卷制弹簧及仪器仪表弹簧等。热处理技术作为机械制造业中十分重要的基础工艺技术之一，在整个工业领域中，应用十分广泛。在充分发挥材料潜能，节约能源，进行清洁生产和人类社会可持续发展上，热处理技术的拓展是绝不能忽视的。弹簧工作在周期性的弯曲、扭转等交变应力条件下，经受拉、压、冲击、纽曲等各种复杂的应力作用，还要经受疲劳腐蚀、应力腐蚀、磨损等多种失效形式的交互作用，有时还要承受极端的瞬时大载荷的作用。并且，许多弹簧的工作环境也十分恶劣。因此，对弹簧

3、钢的生产和热处理的要求十分严格。随着计算机技术和热处理工艺相关学科的发展，如数值模拟计算方法、计算传热学、热弹塑性理论、相变动力学、计算流体力学等，从而为热处理过程的数值模拟和仿真技术的发展奠定了坚实的基础。由于数值模拟技术在热处理方面的突出优势，它必将在制造业领域被广泛使用，这也是技术进步的必然结果。因此研究弹簧钢的热处理工艺数值模拟技术在实际生产和科学研究中起着越来越重要的作用。本文将对弹簧钢热处理工艺的数值模拟技术进行探讨和研究。1绪论61.1弹簧钢的介绍及国内外发展现状61.2 国内外弹簧钢发展趋势71.2.1 弹簧钢向高强度方向发展71.2.2 弹簧钢向高弹减抗力方向发展81.2.3

4、 弹簧钢向高纯净度方向发展81.3 弹簧钢的分类81.3.1 按照化学成分分类81.3.2 按照生产加工方法分类91.3.3 按照钢材交货状态分类91.4 典型弹簧钢介绍101.5 热处理过程简介和数值模拟方法111.5.1 热处理过程简介111.5.2 热处理过程的数值模拟方法121.5.3 热处理的流程和步骤131.6 课题研究的背景和意义141.7 本文研究的内容152 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺规程的研究162.1 60Si2Mn介绍162.2 60Si2Mn弹簧钢热处理规范162.2.1 常用热处理规范162.2.2 等温淬火172.2.3 亚温淬火172.2.4 高温淬火172

5、.3正交试验法的介绍172.4 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺规程的制定192.4.1 试样的淬火192.4.2 试样的回火192.4.3 60Si2Mn弹簧钢的热处理试验方案203 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺数值模拟213.1Deform-3D有限元软件的介绍223.2 60Si2M弹簧钢的热处理工艺数值模拟233.2.1 问题分析243.2.3基本设置263.2.4 输入几何体273.2.5 生成网格293.2.6 材料定义303.2.7 坯料设定313.2.8 介质定义323.2.9 方案定义353.2.10 设置模拟控制353.2.11 模拟和后处理364 模拟后处理和模拟结果分析

6、374.1 60Si2Mn弹簧钢热处理模拟过程中的组织变化374.2 60Si2Mn弹簧钢热处理模拟过程中硬度的变化424.3 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺模拟的结果分析和比较435 60Si2Mn弹簧钢模拟结果的验证和分析445.1 试验设备和试验流程446 结论481绪论1.1弹簧钢的介绍及国内外发展现状弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能（特别是弹性极限、强度极限、屈强比）、抗弹减性能（即抗弹性减

7、退性能，又称抗松弛性能）、疲劳性能、淬透性、物理化学性能（耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等）。为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量（高的纯洁度和均匀性）、良好的表面质量（严格控制表面缺陷和脱碳）、精确的外形和尺寸。弹簧钢广泛用于飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中。根据GB/T13304钢分类标准，按照基本性能及使用特性一，弹簧钢属于机械结构用钢；按照质量等级，属于特殊质量钢，即在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的钢。按照中国习惯，弹簧钢属于特殊钢，制作弹簧钢的时候技术要求比较高，过硬的技术直接决定品质的高低。中国的弹簧钢在20世纪50年代曾参照前苏联的弹簧

8、钢牌号，主体为Si-Mn系列的弹簧钢，由于Si-Mn系弹簧钢存在淬透性低的缺点，随着国民经济的快速发展，已不能满足中国工业发展的需要，后经1977年、1984年两次修订，删除了一些无用的牌号，增加了高淬透性Cr-Mn系弹簧钢。1目前生产使用并列入GB/T1222-2007中的弹簧钢有15个钢种，其化学成分见表1.1。表1 GB/T1222-2007标准所列弹簧钢的化学成分/%美国ASTMA689弹簧用碳素钢及合金钢棒材按化学成分进行钢的分类时，其标准钢号为AISI系列的1000、4100、5100、6100、8600和9200，且包括AISI硼钢系列10B00、15B00、50B00和51B0

9、0。规定的钢种见标准ASTMA322和A576，并可对AISI钢号的化学成分进行调整，以适合特殊钢材尺寸、弹簧形状和其他特殊需要所要求的淬透性。对按淬透性交货时，应在钢种后面加上大写字母“H”。标准的合金钢号是AISI系列4100H、5100H、6100H、8600H和9200H，以及包括AISI硼系列的50B00H和51B00H。规定的钢种见标准ASTMA304。美国弹簧钢无论是种类还是数量都比较多，但经常使用的钢种是9260、9254、5160和改进型5160等，尤以5160(H)和9260应用最广、产量最大。日本弹簧钢标准JISG4801中收入9个钢种。1984年修订JISG4801时，

10、由于弹簧钢SUP4没有实用价值而被删掉，SUP3也只是作为铁道车辆板弹簧的补充使用。8个合金弹簧钢号中，SUP6、SUP7是Si-Mn钢，高硅的SUP7主要用于高应力的悬挂弹簧。SUP9、SUP9A是Cr-Mn钢。和SUP9相比，1977年修订标准时取自美国钢种SAE5160的SUP9A，有较高的碳、锰、铬含量，淬透性也更好，适合用于较粗的悬挂弹簧;SUP10是Cr-V钢，钢的韧性好，适用于使用条件恶劣的弹簧钢。SUP11A是对SUP9进行硼处理的弹簧钢，具有更好的淬透性，可用于35mm的粗弹簧。1984年新订的标准中引进了两个新牌号:SUP12(SAE9254)是Si-Cr钢，抗回火性和抗脱

11、碳性好，用于高应力悬挂弹簧;SUP13(SAE4161)是Cr-Mo钢，淬透性非常好，可用于直径超过60mm的超大型弹簧。德国弹簧钢标准DIN17221中共有6个钢种，其化学成分见表1.2。其中38Si7是Si-Mn钢，54SiCr6、56SiCr7是Si-Mn-Cr钢，55Cr3是Cr-Mn钢，50CrV4是Cr-V钢，51CrMoV4是在50CrV4的基础上添加了一定含量的Mo元素，大大提高了钢的淬透性及回火稳定性，适用于制造在高温环境下工作的超大型弹簧。表1.2 德国弹簧钢标准DIN钢种化学成分% 1.2 国内外弹簧钢发展趋势1.2.1 弹簧钢向高强度方向发展提高弹簧设计应力、减轻弹黃重

12、量是弹簧的发展方向影响弹賛钢设计应力的两个主要因素是抗疲劳性能和抗弹减性能，新一代超高强度弹簧钢具有以下特征:(1)超高强度;(2)超高疲劳强度和耐腐烛疲劳性能;(3)优良的抗弹减性能;(4)良好的经济性。为实现此目标，主要采用以下两个途径:(1)新型钢种的研制开发。一方面通过优化现有弹簧钢的合金元素含量并添加微合金化元素;另一方面借鉴航空用超高强度钢的经验，降低含碳量并添加V和Nb等。(2)新型热加工和热处理工艺的研发。在现有钢种保持不变的情况下，通过形变热处理、感应热处理及在线热处理等工艺的研究开发，实现超高强度化。目前国外形变热处理和感应热处理工艺已始用于实际生产，在线热处理工艺正在研究

13、开发。1.2.2 弹簧钢向高弹减抗力方向发展由于决定弹簧许用应力的主要因素是弹减抗力，因此提高弹减抗力一直是高强度弹黃钢研究开发的重点。如果仅从材料本身来看，为了提高弹减抗力应从选择合适的化学成分入手，并配以恰当的热加工和热处理，以获得理想的微观组织、晶粒度、第二相质点和硬度等。Si是合金元素中提高弹减抗力最有效的元素之一，其作用仅次C。这是由于Si的固溶强化效应显著并且能改变回火时析出碳化物的数量、尺寸以及形态，从而有效提高钢的回火稳定性。因此，早期弹减抗力优良的弹賛钢(设计应力1000-1100MPa)一般娃含量均较高，如SUP7、SUP12。但是，SUP7、SAE9260这类钢的含Si量

14、已达最高值，再靠提高娃含量来提高弹减抗力很困难。要想开发弹减抗力更好，而且综合性能优良的新材料，必须寻找新的途径。其中一个重要途径便是利用析出强化和晶粒细化强化技术，如加入微合金元素V和Nbl9。1.2.3 弹簧钢向高纯净度方向发展国内外钢厂和汽车厂对弹簧钢氧念量提出了很高的要求，如瑞典SKF标准要求弹簧钢氧含量低于15mg/L，夹杂物最大尺寸小于15im。弹黃钢生产企业应从冶炼工艺及连铸工艺两方面入手，通过采取加强原料管理、合理配料、精料入炉，强化冶炼操作、优化冶炼工艺，改进脱氧、造渔制度、强化炉解精炼等措施，生产高纯净度弹篑钢。1.3 弹簧钢的分类1.3.1 按照化学成分分类根据GB/T1

15、3304标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金弹簧钢（碳素弹簧钢）和合金弹簧钢。1、碳素弹簧钢碳素弹簧钢的碳含量（质量分数）一般在0.62%0.90%。按照其锰含量又分为一般锰含量（质量分数）(0.50%0.80%）如65、70、85和较高锰含量（质量分数）(0.901.20%），如65Mn两类。2、合金弹簧钢合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，以满足制造各种弹簧所需性能的钢。合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒

16、或硼等合金元素。此外，还从其他钢类，如优质碳素结构钢、碳素工具钢、高速工具钢、不锈钢，选择一些牌号作为弹簧用钢。1.3.2 按照生产加工方法分类热轧（锻）钢材包括热轧轧圆钢、方钢、扁钢、钢板，锻制圆钢、方钢。冷拉（轧）钢材包括钢丝、钢带、冷拉材（冷拉圆钢）。1.3.3 按照钢材交货状态分类热轧（锻）钢材A.以热轧（锻）状态交货钢材经热成形制成弹簧，然后进行淬火和回火处理。B.以退火状态交货钢材经冷成形制成弹簧，然后进行淬火和回火处理。以上均应符合相应的交货状态硬度的规定。冷拉（轧）钢材A.钢丝铅浴等温淬火冷拉钢丝（又称派登脱处理冷拉钢丝）钢丝制成弹簧后只需进行低温回火，以消除应力。油淬火和回火

17、钢丝冷拉成所需尺寸后，进行连续加热、连续油淬火和铅回火。钢丝制成弹簧后只需进行底温火，以消除应力。冷拉钢丝（即不经淬火和回火处理的钢丝）a.以冷拉状态交货。b.以退火、正火或回火处理状态交货48以上两种状态交货的钢丝制成弹簧后均需进行淬火和回火处理。B.钢带冷轧状态交货制成弹簧后需进行低温回火，以消除应力。淬火和回火状态交货制成弹簧后需进行低温回火，以削除应力。退火火状态交货制成弹簧后需进行淬火和回火处理C.冷拉钢材以退火状态交货钢材经冷成形制成弹簧，然后进行淬火和回火处理。1.3.4、其他分类方法除以上所述外，还有一些其他分类方法，例如：按交货条件要求不同可分为按化学成分（力学性能）交货和按

18、淬透性交货。按弹簧工作条件可分为承受静载荷弹簧钢、承受冲击载荷弹簧钢、耐高（低）温弹簧和耐腐蚀弹簧钢等。1.4 典型弹簧钢介绍1.65、70、85：此类弹簧钢可得到很高强度、硬度、屈强比高的弹簧，但淬透性小，耐热性不好，承受动载和疲劳载荷的能力低。应用非常广泛，但多用于工作温度不高的小型弹簧或不太重要的较大弹簧。如汽车、拖拉机、铁道车辆及一般机械用的弹簧。65Mn成分简单，淬透性和综合力学性能、脱碳等工艺性能均比碳钢好，但对过热比较敏感，有回火脆性，淬火易出裂纹，价格较低，用量很大。制造各种小截面扁簧、圆簧、发条等，亦可制气门弹簧、弹簧环，减振器和离合器簧片、刹车簧等。2.55Si2Mn、60

19、Si2Mn、60Si2MnA此类弹簧钢硅含量W（Si）高（上限达2.00%）。强度高，弹性好，抗回火稳定性好。但是易脱碳和石墨化，淬透性不高。是主要的弹簧钢类，用途很广。制造各种弹簧，如汽车、机车、拖拉机的板簧、螺旋弹簧，汽缸安全阀簧及一些在高应力下工作的重要弹簧，磨损严重的弹簧。55Si2MnB因含硼，其淬透性明显改善轻型、中型汽车的前后悬挂弹簧、副簧。55Si2MnB中国自行研制的钢号，淬透性、综合力学性能、疲劳性能均较60Si2Mn钢好，主要制造中、小型汽车的板簧，使用效果好，亦可制其他中等截面尺寸的板簧、螺旋弹簧。3.60Si2CrA此类弹簧钢属于高强度弹簧钢。淬透性高，热处理工艺性能

20、好。但是因强度高，卷制弹簧后应及时处理消除内应力。可用于制造载荷大的重要大型弹簧。60Si2CrA可制汽轮机汽封弹簧、调节弹簧、冷凝器支承弹簧、高压水泵碟形弹簧等。60Si2CrVA钢还制作极重要的弹簧，如常规武器取弹钩弹簧、破碎机弹簧。4.55CrMnA60CrMnA突出优点是淬透性好，另外热加工性能、综合力学性能、抗脱碳性能亦好。可制造大截面的各种重要弹簧，如汽车、机车的大型板簧、螺旋弹簧等。5.60CrMnMoA在现有各种弹簧钢中淬透性最高。力学性能、抗回火稳定性等亦好。大型土木建筑、重型车辆、机械等使用的超大型弹簧。钢板厚度可达35mm以上，圆钢直径可超过60mm。6.50CrVA少量

21、钒提高弹性、强度、屈强比和弹减抗力，细化晶粒，减小脱碳倾向。碳含量较小，塑性、韧性较其他弹簧钢好。淬透性高，疲劳性能也好。用于制造各种重要的螺旋弹簧，特别适宜作工作应力振幅高、疲劳性能要求严格的弹簧，如阀门弹簧、喷油嘴弹簧、气缸胀圈、安全阀簧等。7.60CrMnBA淬透性比60CrMnA高，其他各种性能相似。可用于制造尺寸更大的板簧、螺旋弹簧、扭转弹簧等。8.30W4Cr2VA高强度耐热弹簧钢。淬透性很好。高温抗松弛和热加工性能也很好。可用于制造工作温度500C以下的耐热弹簧，如汽轮机主蒸汽阀弹簧、汽封弹簧片、锅炉安全阀弹簧、400t锅炉碟形阀弹簧等。1.5 热处理过程简介和数值模拟方法1.5

22、.1 热处理过程简介热处理过程是温度、组织转变、应力三方面相互作用的复杂过程。其关系如图1.1所示2图1.1热处理过程中温度、组织转变和应力关系示意图(1)组织转变对应力的作用组织转变所引起的体积改变，比如奥氏体转变成马氏体或贝氏体时所引发的体积膨胀。因温度的分布、变化不均匀，锻件各部位组织转变不能够同步进行，转变量的不同，膨胀量也不同，产生了内应力，这就是组织应力。(2)应力对组织转变的作用比如在应力的作用下，所改变等温转变时的初始转变时间和终了时的转变时间，以及产生所谓的相变塑性等。(3)应力对温度的作用应力会导致材料的塑性流变，这种应变的过程会放出热量，致使温度增高。然而，这一部分产生的

23、热量很少，一般情况下它对温升的贡献还不到热处理过程中加热温度值的1%，所以多数人认为可以忽略不计。(4)温度对应力的作用随着热处理过程中温度的升高或降低，锻件材料的体积就会发生膨胀或收缩。在热处理过程中，工件各部位受热也不均匀，所以也可导致热应力的产生。(5)组织转变对温度的作用热处理过程中伴随着相变过程的进行也会产生热量相变潜热，致使温度的升高，会影响温度的分布和热传导的过程。(6)温度对组织转变的作用温度的变化也会引起组织转变。例如，在高温下的材料会呈奥氏体组织；如果材料从高温下冷却下来的时候，根据冷却速度的不同奥氏体会转变为铁素体、渗碳体、珠光体、贝氏体以及马氏体等组织。1.5.2 热处

24、理过程的数值模拟方法热处理过程的数值模拟包括传热过程的数值计算，计算的组织的变化，应力和应变的计算。由此可以得出，也可以通过传热计算加热，淬火和回火过程中的温度分布，组织的变化和计算的应力，还可以体现出应变应力分布和相变的过程。与此同时，相互联系的数值模拟之间的计算，传热计算是应力应变计算和组织转变的基础，应力和应变反过来影响的数值模拟计算的温度场。这些数值模拟，不仅可以对整个热处理工艺过程有了更加深入，全面的了解，而且还对过程分析和一些参数进行了优化。常用的模拟数值解法有：(1)有限差分法(FDM)有限差分法它的基本思想是用差分方程代替微分方程，是每个网格单元节点的温度的数值计算的一种数学近

25、似法。它的特点是计算的精度较高，但是计算的过程简单，节省了大量的时间。但也有它的局限性那就是由于划分了规则的差分网格，所以只考虑到了节点的作用，有一定的片面性。(2)有限单元法(FEM)有限单元法是基于变分原理的基础上，借鉴的离散思想是源于有限差分法的想法，从而开发出一种高效的数值求解方法。这种数值求解方法可以很容易地处理任何复杂形状的边界，它是对于任何具有复杂形状和条件的对象，也能达到更高的精度。有限单元法分为两大分支，一是变分法，它是源于微分方程，另一个是泛函变分法。并不是每一个问题都可以发现在其功能范围的泛函变分法，所以基于微分方程的变分法应用越来越广泛。(3)直接差分法(DFDM)直接

26、差分法它按照按节点和节点之间的领域可以划分为内节点法和外节点法；如果按照差分格式又可以可划分为分为显式差分格式、全隐式差分格式和交替隐式差分格式。由于该方法计算简单，而且占用的内存也小，所以应用也很广泛。(4)边界元法(BEM)边界元法它利用积分方程，通过控制微分方程来求解边界区域的一种方法。用单元格来将边界离散化，可以把边界积分方程离散为代数方程组，从而求得数值解。所以该方法在温度场的数值模拟中得到了更加广泛的应用1.5.3 热处理的流程和步骤热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很

27、多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此

28、当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。1.6 课题研究的背景和意义弹簧钢是极其重要的工业用钢，主要用于制造汽车、铁道车辆、拖拉机等结构用板簧、安全阀弹簧、螺旋弹簧，也用于重型机械的减震器和承受高

29、交变载荷工作下的大型卷制弹簧及仪器仪表弹簧等。3进入21世纪以来，我国汽车工业发展迅猛，其中，汽车、摩托车所用弹簧占弹簧钢生产总量的64.9%，图1.3-1为我国1999-2012年的汽车产量走势图，可以看出，从1999年开始，中国汽车市场产量年均增速超过20%，产量从1999年的180多万辆增加到2011年1841.89万辆，2012全年产量超过1900万辆，再次超越中国车市创造的全球纪录，超过美国成为全球第一大汽车生产国。在汽车工业等制造业的高速发展下，弹簧钢的需求量越来越大，从2000年的24万吨增加到2010年的85万吨，预计到2015年，我国弹簧钢需求量达到150万吨。图1.3-1、

30、我国汽车年产量走势弹簧工作在周期性的弯曲、扭转等交变应力条件下，经受拉、压、冲击、纽曲等各种复杂的应力作用，还要经受疲劳腐蚀、应力腐蚀、磨损等多种失效形式的交互作用，有时还要承受极端的瞬时大载荷的作用。并且，许多弹簧的工作环境也十分恶劣。因此，对弹簧钢的生产和热处理的要求十分严格。要求瘫痪具有良好的力学性能，比如较高的弹性极限、缺口疲劳极限以及良好的表面性能和较高的抗疲劳性能。为了满足弹簧钢较为苛刻的性能和使用要求，对弹簧钢进行合理、有效的热处理变得十分重要和必要。热处理技术作为机械制造业中十分重要的基础工艺技术之一，在整个工业领域中，应用十分广泛。在充分发挥材料潜能，节约能源，进行清洁生产和

31、人类社会可持续发展上，热处理技术的拓展是绝不能忽视的。世界上工业发达国家都投入很多资金来发展这门技术。自1996年以来，美国、日本的欧洲的许多发达国家都先后制定21世纪热处理技术发展规划和目标。美国热处理工业2020年远景把目前和将来国外热处理先进技术与装备水平的目标和主要标志阐述得十分明确4。为了保证产品的质量和性能要求，以避免较大的残余应力的产生，常用保守的热处理工艺，但是需要很长的时间。较长时间的加热、保温，不但大大增加能源的浪费，而且会耽误产品的上市时间。因此，如何在既保证产品质量的前提下，又能缩短热处理周期，是我们研究和改进热处理工艺一个重要的发展方向，也提高热处理工艺的一个技术要求

32、。也是有关技术工作者们极为关注的重要问题之一。随着计算机技术和热处理工艺相关学科的发展，如数值模拟计算方法、计算传热学、热弹塑性理论、相变动力学、计算流体力学等，从而为热处理过程的数值模拟和仿真技术的发展奠定了坚实的基础。由于数值模拟技术在热处理方面的突出优势，它必将在制造业领域被广泛使用，这也是技术进步的必然结果。在热处理工艺过程中用有限元模拟技术替代传统的仅凭经验的方式，可以有效地提高生产效率，提高产品的质量，这种认识已经成为发达国家的共识。近几年来，国外用于热处理分析的软件已经进入商业化阶段，有的已进入中国市场。与国内软件相比，这些软件的通用性，易用性方面具有较大的优势，但价格也相当昂贵

33、，材料库只包含在欧洲和美国和其他国家地区的常用的材料，不适合中国的国情。因此，在配合一些国外的先进技术，尽快开发出适合国内企业应用有限元数值模拟软件是当务之急。但更为重要的是，把现有的、成熟的数值模拟技术应用到实际生产过程中，这也需要加强厂校之间的合作。只有加强了合作，互相取长补短，才能取得长足的进步，在热处理有限元模拟的技术领域有大的突破。1.7 本文研究的内容本课题选用60Si2Mn弹簧钢作为实验的材料，采用淬火和回火的热处理方式，希望通过有限元分析方法，考虑60Si2Mn弹簧钢在热处理过程中的试件瞬态问题、相变潜热问题、变热物性参数问题，以及温度场、显微组织场和内应力场相互耦合问题，建立

34、了热处理过程的有限元计算模型，并通过试验对模型进行了验证，验证模型的可靠性。本文拟通过DEFORM-3D软件建立热处理过程中的有限元计算模型，并通过试验对模型进行验证，验证模型的可靠性。该数值模型对研究和60Si2Mn弹簧钢任一时刻，任一位置的温度、组织、应力的变化情况和进一步分析60Si2Mn弹簧钢的淬透层深度、预报产品的组织性能、残余应力的分布等方面有着重要的实践指导意义，并为轴类锻件的热处理工艺的合理制定提供了有效的理论依据，为最终预报产品的性能，进而优化生产工艺，推动生产技术的发展打下基础。本文拟利用DEFORM-3D软件对60Si2Mn弹簧钢进行常规热处理工艺淬火处理、等温淬火处理、

35、分级淬火处理、亚温淬火和高温回火热处理和考虑60Si2Mn弹簧钢表面脱碳影响的特殊热处理模拟。通过对以上几种热处理工艺的模拟结果分析，比较这些热处理工艺的处理效果，分析其作用机理，探讨和研究60Si2Mn弹簧钢的最佳热处理工艺。本文除通过DEFORM-3D软件对60Si2MnA弹簧钢进行模拟外，还通过实际的热处理试验对60Si2Mn弹簧钢的模拟结果进行了对比和分析，对60Si2Mn弹簧钢在热处理过程中脱碳问题进行了探索和研究。2 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺规程的研究2.1 60Si2Mn介绍60Si2Mn弹簧钢是我国应用较为普遍的硅锰系合金弹簧材料，广泛用于制造汽车、拖拉机和铁路车辆上的螺

36、旋弹簧、板弹簧及其他高应力下工作的重要弹簧。其成分如表2.1。表2.160Si2Mn弹簧钢主要成分元素CSiMnPSNiCr含量%0.56-0.641.50-2.000.70-1.000.0350.0350.0350.0352.2 60Si2Mn弹簧钢热处理规范2.2.1 常用热处理规范60Si2Mn弹簧钢的热处理规范是油淬火、回火。其工艺为预热、加热、保温、冷却、回火保温、冷却等。60Si2Mn弹簧钢的淬火温度以86010为佳，淬火保温时间可取0.50.6min/mm。淬火保温时间关系到淬火透烧时间，若控制不当，铁素体不能全部溶解。在高于Ac3温度以上的温度保温冷却到常温是奥氏体马氏体的转变

37、过程。弹簧淬火后的回火只能消除淬火后出现的热应力和组织应力。“油淬回火”的主要过程是以钢材通过加热到Ac3以上的理想温度后经过过冷急剧冷却转变为马氏体，得到的晶粒组织不理想，淬火马氏体组织回火后得到回火托氏体或索氏体组织；若淬火加热和冷却及回火温度控制不当，容易形成部分索氏体或全部索氏体。生产实践证明，当60Si2Mn弹簧钢材料在尺寸小于r24mm或大于r26mm时，按常规工艺处理均无严重淬火裂纹，而r25mm规格的钢丝淬火后发现有严重的裂纹，因而油淬火回火工艺已不能满足生产的需要，必须采用先进的热处理工艺。2.2.2 等温淬火为了提高弹簧的强韧性及使用寿命，可采用一些较先进的淬火方法，如贝氏

38、体等温淬火和马氏体分级淬火等，其中广泛应用的是可获得贝氏体的等温淬火。采用等温淬火不仅使弹簧钢强度高、弹性好，而且塑性和韧性的提高更为显著。等温淬火后的弹簧还有较高的抗微塑性变形能力和抗松弛稳定性，热应力和组织应力都很小，弹簧变形明显减小，因此，可减小矫正弹簧的工作量。60Si2Mn弹簧于860加热，320等温30min，和普通热处理比较(在等硬度HRC4849条件下)，前者的冲击寿命为1430次，后者只有620次，提高了产品质量和使用寿命。2.2.3 亚温淬火亚温淬火是一种新工艺，其强韧化机理是使晶粒细化，少量未溶铁素体能阻止裂纹的扩展，使残余奥氏体增多以及改善有害杂质元素的分布等，因而提高

39、了钢的强韧性。此外，还能降低钢的脆性转变温度，抑制钢的可逆回火脆性，因而被广泛用于结构钢。60Si2Mn弹簧钢应用亚温淬火，也可取得一定的效果，有人建议要对其进行亚温贝氏体淬火的研究。2.2.4 高温淬火研究结果表明，60Si2Mn弹簧钢采用950的高温淬火，可以得到明显的板条马氏体，有最好的强韧性。因此，在较高炉温条件下进行快速加热，使弹簧钢获得细小晶粒和更多的板条马氏体，能提高弹簧的综合机械性能。2.3正交试验法的介绍正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是在所有水平的实验因素的组合之中，选择具有代表性的样本组合进行试验，综合试验结果，全面分析实验的情况，从而找到

40、最佳的组合水平。正交试验设计的基本特点是：用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况，正因为正交试验是用部分试验来代替全面试验的，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析；当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂，虽然正交试验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合，因而很受实际工作者的青睐5。在试验安排中，每个因素在研究的范围内选几个水平，就好比在选优区内打上网格，如果网上的每个点都做试验，就是全面试验。3个因素的选优区可以用一个立方体表示（图2.2），3个因素各取3个水平，把立方体划分成27个格点，反映在图2-2上就是立方体内的27个点。

41、图2.2三因素三水平均衡分散立体图若27个网格点都做试验就是全面试验其试验方案如表2.3所示表2.3三因素三水平实验方案3因素3水平的综合测试，如果全面做试验则组合数为，4因素3水平的综合测试全面试验水平组合数为，5因素3水平的如果全面做试验，则全面试验水平组合数为，这在现实试验中是不可能做到的。正交实验设计就是从选择区域和全面试验点中选择具有代表性的一部分进行试验。图2.2中标有试验号的九个点，就是利用正交表L9(33)从27个试验点中挑选出来的9个试验点，即：上述的选择，有效地保证了A因素内的每个水平均与B因素、C因素内的各个水平在实际试验中各搭配一次。对于A、B、C3个因素来说，它是在2

42、7个全面试验点中所选择其中的9个试验点，然而仅是全面试验的三分之一。从图2-2中可以看到，9个试验点在选优区域中的分布是均衡的，在立方体的每个平面上，都是3个试验点；而在立方体的每条线上也都恰有一个试验点。9个试验点非常均衡地分布于整个立方体内，具有很强的代表性，从一定程度上能够比较全面地反映选优区域内的基本情况。2.4 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺规程的制定2.4.1 试样的淬火淬火是将钢加热到临界点以上一定温度、保温一定时间，然后以适当冷却速度冷却获得马氏体或马氏体加贝氏体组织的热处理工艺，钢件淬火的主要目的是提高其强度、硬度和耐磨性6。淬火处理的实质就是通过对淬火工件的温度场、组织转变

43、和应力场进行适度调整，使工件获得所需的组织、性能和较小的残余应力及残余应变。淬火工艺选择不当不仅影响工件的组织性能，而且会影响工件的使用寿命。生产实践表明，淬火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。因此，加强对淬火工艺的研究尤为重要。2.4.2 试样的回火回火是工件淬硬后加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火一般紧接着淬火进行，其目的是：（1）消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；（2）调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（3）稳定组织与尺寸，保证精度；（4）改善和提高加工性能。因此，回火是

44、工件获得所需性能的最后一道重要工序。按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。本试验将对60Si2Mn弹簧钢进行中温回火。工件在350500之间进行的回火称为中温回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火托氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。2.4.3 60Si2Mn弹簧钢的热处理试验方案60Si2Mn弹簧钢的热处理需要考虑其化学成分和其对硬度、抗拉强度、韧性和屈强比的要求。为了验证热处理工艺对60Si2Mn弹簧钢硬度、强度、抗拉强度及脱碳层深度的影响，并对几种60Si2Mn弹簧钢热处理工艺的处理效果进行比较，

45、分别采用了等温淬火、亚温淬火和高温回火工艺。根据60Si2Mn弹簧钢的热处理规范划定的热处理工艺范围，结合正交试验法的原理，本工艺制定了60Si2Mn弹簧钢热处理工艺如表2.4。表2.460Si2Mn弹簧钢热处理工艺试验序号处理方式加热温度()保温时间（min）淬火介质等温温度（）回火温度()回火保温时间（min）1常规淬火87030油460402等温淬火87030硝酸钠320320453亚温淬火80030油430401、 常规淬火60Si2Mn钢常规的淬火为完全淬火，其工艺参数为淬火温度870，淬火介质油，回火温度480。根据GB/T1222-1984弹簧钢规定，60Si2Mn钢经此工艺处理

46、后，其力学性能应该达到：硬度HRC38.0、屈服强度s1176Mpa、抗拉强度b1274Mpa、延伸率105%、断面收缩率25%7。本次对60Si2Mn弹簧钢进行870淬火和480的常规热处理模拟。旨在了解在常规热处理情况下60Si2Mn弹簧钢的组织和性能，并和其他的特殊60Si2Mn弹簧钢热处理方案进行对比，发现各个热处理方案中的优势和不足，为实际生产中60Si2Mn弹簧钢的热处理方案的制定奠定基础并做出指导。2、 等温淬火工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火称为等温淬火。本次模拟的等温淬火工艺将60Si2Mn弹簧钢热加热到8

47、70，保温30nin后，320的硝酸钠盐浴淬火，保温60min后空冷，最后再进行一次320的回火处理。希望通过对模拟结果的分析，并将模拟结果和亚温淬火的模拟结果进行比较，意图发现该等温淬火工艺的优势和不足，为实际生产中60Si2Mn弹簧钢等温处理工艺的制定奠定基础，提供指导。3、亚温淬火亚温淬火又称临界区淬火，是将具有平衡态或非平衡态原始组织的亚共析结构钢加热至铁素体与奥氏体共存的两相区（即临界区温度区间），保温一定时间，然后进行淬火的热处理工艺。与常规完全淬火工艺不同，亚温淬火的加热温度在相变点Ac1、Ac3之间，较常规完全淬火降低50100，图2-1为亚温淬火和常规完全淬火的加热温度范围示

48、意图。图2-1、亚温淬火和常规淬火加热温度示意图本次模拟将把60Si2Mn弹簧钢加热到800，保温30min，并进行430，40min的回火处理。希望通过将分析结果和等温淬火的分析结果进行比较，发现该工艺的优势和不足，为实际生产中60Si2Mn弹簧钢的亚温淬火工艺奠定基础。3 60Si2Mn弹簧钢热处理工艺数值模拟热处理有限元模型包括温度场模型、组织场模型和应力场模型。选用不同的热处理工艺工件会得到不同的性能。通过数值模拟研究热处理工艺对工件性能效果的影响，不仅可以节省现场工业试验的费用、时间和精力，还可以对热处理工艺参数进行优化。对生产实践起到很好的指导作用。本章基于试验条件，选用60Si2

49、Mn弹簧钢作为研究的基本材料，研究不同热处理工艺下工件温度场、组织场和应力场的分布情况和热处理后60Si2Mn弹簧钢的组织和性能。由于热处理问题是温度、组织和应力相耦合高度非线性的问题，考虑上述因素，在现有的有限元软件中，DEFORM-3D已经成功地解决了三者之间的耦合关系，因此本章选用有限元软件DEFORM-3D来模拟热处理过程。3.1Deform-3D有限元软件的介绍1979年，美国Battelle Columbus实验室在美国空军基金的资助下开发了有限元计算成形ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)。该程序为钢塑性

50、及钢粘塑性有限元法通用程序，采用高阶单元，模具及边界条件的人工描述，自动产生初始速度场，并附有绘图程序FEGRA来自动显示中间变形过程的图形，能处理常应力摩擦和Coulomb摩擦。但其只能分析平面问题和轴对称问题，并且没有考虑非等温成形的热传导问题和加工设备形式，也没有网格重划分功能。随后几年中，ALPID的开发人员针对用户提出的种种要求，逐渐将程序完善，并采用Motif界面设计工具，将计算程序发展为商品化分析软件DEFORM(Design Enviroment for Forming)，由美SFTC公司推广应用。DEFORM-2D2002年发布7.2版，1998年推出了三维系统DEFORM-

51、3D，2002年发布4.0版。本文通过一实例，分析了DEFORM的计算精度、效率及应用前景。DEFORM是基于有限元分析的仿真系统，金属成形的分析及其相关产业的各种成形工艺和热处理工艺过程的仿真都能用到这种系统。通过有限元模拟热处理的过程，可以帮助工程师和设计师在制定工艺方案时，提供一定的理论依据和技术支持。既降低了昂贵的实验成本，有大大提高了设计效率。DEFORM-3D是基于一个集成的有限元环境，它综合了建模、成形、热传导和成形设备特性，从而可以进行有限元模拟仿真分析。适用于热处理、冷轧、切削力的分析，提供具有极高价值的工艺分析的数据。DEFORM-3D模拟的结果，可以作为制定试验方案的依据

52、，从而为优化工艺参数提供了很好的参数范围。由于本课题用的是有限元软件DEFORM-3D的热处理模块，所以重点介绍一下DEFORM-HT模块。DEFORM-3D的热处理主界面如下图3.1所示。DEFORM-HT支持CAD系统，如PRO-ENGINEER，IDEAS和PATRAN，以及(STL/SLA)格式。局部加热和淬火窗口可用于选择部位的热处理工艺。DEFORM-HT用于模拟零件制造的全过程，从成形、热处理到精加工。零件的典型制造过程一般为零件成形热处理（奥氏体化，渗碳，淬火，回火等）精加工。DEFORM-HT主旨在于帮助设计人员在制造周期的早期能够检查、了解和修正潜在的问题或缺陷。DEFOR

53、M3D热处理图形的用户界面非常便于我们输入材料性能、工艺参数、热性能、几何数据、扩散和材料金相组织数据。DEFORM-HT能够模拟复杂的材料热处理过程，可以自动进行网格的划分和插值处理。除了变形过程的模拟外，它还能够考虑材料的组织相变、体积变化、含碳量以及相变引起的潜热。残留奥氏体的百分比、马氏体的体积分数、残余的应力、热处理变形和硬度等一系列相变所引发的参数变量都可以观察的到。它所能够模拟的热处理的工艺类型为退火、正火、淬火、回火、时效处理和渗碳等，为我们研究工件的组织性能打下了良好的基础。DEFORM3D热处理模块初始界面如图3.2所示。图3.1热处理模型图3.2DEFORM3D热处理界面

54、3.2 60Si2M弹簧钢的热处理工艺数值模拟本文以60Si2Mn弹簧钢试样为例，介绍DEFORM-3D软件热处理模拟的一般流程3.2.1 问题分析图3.3、热处理模型本章主要是通过DEFORM-3D软件，60Si2M弹簧钢热处理工艺过程进行有限元模拟，图3.3所示的为热处理的模型，不考外界因素的影响。工艺参数如下单位：SI（SystemInternational）热处理材料（Material）：60Si2Mn弹簧钢/AISI-9620_HeatTreatment试样尺寸：长=20mm直径=20mm热处理方案分为四个阶段：(1)、在870加热40分钟（2400s）(2)、在油中进行淬火10分钟

55、（600s）(3)、在460回火40分钟（2400s）(4)、在空气中冷却30分钟（1800s）3.2.2、创建一个新的问题第一步，创建一个新的问题。（1） 打开DEFORM-3D软件，在主窗口左上角点击file按钮，创建一个新问题，如图3.4所示，单击NewProblem按钮。图3.4创建新问题（2） 在弹出的问题类型（ProblemType）界面中选择热处理向导模块（Heattreatmentwizard），如图3.5，单击next按钮。图3.5问题类型的选择（3）在问题位置界面中选择自己事先设定好的文件保存地址（选项2），这样有利于文件的查看和管理，然后单击next按钮。（4）在弹出的问

56、题名称（Problemname）界面中，根据需要设置名称。这里需要特别注意，名称设置中不能出现汉字，因为这是英文软件不识别汉语。如图3.6所示，单击finish按钮，进入了热处理模块。图3.6、设置问题名称3.2.3基本设置单击热处理工艺设置对话框的Initialization按钮，设置初始参数。在初始化参数设置窗口，单位设置为国际单位制（SI）单位，选中Deformation、Diffusion和phasetransformation复选框，设置如图3.7所示，单击Next按钮。图3.7基本设置3.2.4 输入几何体在几何输入界面，选择从文件输入几何体（Importfromageometry

57、，KEYorDBfile），如图3.8所示。然后单击Next按钮，找到所需要的模型。这里需要说明一下，DEFORM-3D有限元软件没有创建几何体的功能，所以需要提前用一块三维软件画好三维图，并存成STL数据文件的格式，然后直接导入即可。导入的零件如图3.9所示。输入成功后界面如图3.8所示。图3.8输入几何体的方法图3.9输入的几何体3.2.5 生成网格图3.10生成网格设定界面在生成网格界面，网格数量输入6000，结构表面层数设置为1，厚度模式选择比率模式（Ratiotooveralldimension），层厚度设置为0.005，设置如图3.10所示。设置完成后单击Next按钮网格生成。划分完网格的试样如图3.11所示。图3.11生成网格的试样3.2.6 材料定义在材料定