(高清版)GB∕T 37586-2019 大型锻钢件热处理工艺模拟技术规范

ICS25.200GB/T37586—2019大型锻钢件热处理工艺模拟技术规范国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会GB/T37586—2019 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4大型锻钢件热处理工艺模拟的基本流程 2 2 67安全和卫生 8热处理工艺模拟报告 7附录A(资料性附录)大型锻件热处理工艺模拟参考实例 9IGB/T37586—2019本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由全国热处理标准化技术委员会(SAC/TC75)提出并归口。铸锻有限公司、上海市机械制造工艺研究所有限公司、常州新区河海热处理工程有限公司、西安福莱特1GB/T37586—2019大型锻钢件热处理工艺模拟技术规范1范围本标准规定了大型锻钢件热处理工艺模拟的基本流程、热处理工艺的数值模拟技术规范、热处理工艺物理模拟技术规范、安全和卫生要求以及热处理工艺模拟报告。本标准适用于能源、冶金、运输等行业重型装备用大型锻钢件的淬火、回火、退火和正火工艺模拟，不适用于化学热处理和表面热处理工艺。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T231.1金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法GB/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备GB/T6394金属平均晶粒度测定方法GB/T6803铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法GB/T7232金属热处理工艺术语GB/T9452热处理炉有效加热区测定方法GB/T13298金属显微组织检验方法GB/T13324热处理设备术语GB15735金属热处理生产过程安全、卫生要求GB/T15749定量金相测定方法GB/T30825热处理温度测量GB/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语GB/T32541热处理质量控制体系3术语和定义GB/T7232、GB/T13324和GB/T31054界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1数值模拟numericalsimulation计算机模拟结合有限单元法、有限体积法、有限差分法等概念和方法，利用计算机通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。注：本标准中指对大型锻钢件在给定热处理工艺过程中温度、组织和应力等物理量的分析，获得它们在大型锻钢件中分布和演变的详细信息，为大型锻钢件热处理工艺物理模拟提供温度曲线，也可直接作为制定热处理工艺的依据。2GB/T37586—20193.2物理模拟physicalsimulation通过实验室的物理实验来模拟真实物理过程的方法。通常将实际对象的缩小模型置于实验体(如模拟真实过程的主要特征。4大型锻钢件热处理工艺模拟的基本流程大型锻钢件热处理工艺模拟基本流程如图1所示，主要包括热处理工艺数值模拟、热处理工艺物理模拟两个部分。附录A为大型锻件热处理工艺模拟参考实例。开始设定人型锻钢件热处理工艺否否是热处理工艺否是①温度分布②组织分布③应力分布满足大型锻钢件组织与应力要求满足大型锻钢件性①力学性能②显微组织热处理工艺物理模拟是件热处理工艺结束图1大型锻钢件热处理工艺模拟流程图5热处理工艺数值模拟技术规范5.1.1大型锻钢件热处理工艺数值模拟的主要内容一般包括温度场、组织场、应力场的数值模拟，通常采用的数值分析方法主要有三大类，即有限单元法、有限体积法和有限差分法。5.1.2大型锻钢件热处理工艺数值模拟的基本流程主要包括前处理、求解计算和后处理三部分，各部分具体内容与规范要求如表1所示。3GB/T37586—2019表1大型锻钢件热处理数值模拟基本流程与规范要求基本流程处理事项规范要求前处理构建单元网格“1.网格划分原则：a)温度变化剧烈、应力集中部分，单元应要细小；b)需进行应力/应变分析的应优先采用二次单元；c)避免采用混合单元，优先采用六面体单元。2.网格质量评价：a)单元畸变率(最长边与最短边长比例)不大于3;b)单元渐变率(相邻单元相对体积差)不大于20%。3.对于几何形状、边界条件和载荷条件都满足同一对称性条件的大型锻钢件，可采用二维网格或选择部分实体进行网格划分和计算材料属性设定根据所需模拟的物理量，对所有大型锻钢件单元赋予相应的材料性能，包括：热物理性能、力学性能和相变相关参数等初始条件设定所有大型锻钢件单元赋予模拟起始状态，包括初始温度场、初始组织场等边界条件设定1.根据热处理工艺设定温度场边界条件，通常采用第三类边界条件，即设定换热系数及环境温度；2.根据大型锻钢件装炉方式设定应力场边界条件，包括：载荷边界条件，位移边界条件，接触边界条件等载荷条件设定1.加热冷却阶段：a)优先采用自适应温度步长；b)无相变量计算时，温度步长不大于5℃;c)有相变量计算时，温度步长不大于3℃。2.保温阶段：a)优先采用固定时间步长；b)时间步长的选定，保证一个步长内的相变量不大于5%收敛判据设定1.温度收敛判据：a)自适应步长条件下，相对温度迭代误差不大于5%;b)固定步长条件下，绝对温度迭代误差不大于0.5℃。2.应力分析收敛判据：相对位移迭代误差不大于5%网格无关性分析采用对比试算结果的方法检验单元尺寸对温度场分析精度的影响：a)如果温度场整体误差不大于0.2%,即任意点温度曲线上的最大相对误差不大于0.2%,则通过网格无关性检查，单元尺寸符合要求。b)如果温度场整体误差大于0.2%,则应按50%比例细化单元，重复进行试算和对比4GB/T37586—2019基本流程处理事项规范要求求解计算数据保存频率设定1.尽可能保留所有增量步下的数据；2.受存储条件限制的条件下可适当降低存储频率，其选择应满足：a)温度变化不大于20℃;b)相对应变变化不大于50%;c)相变量变化不大于5%数据精度要求a)双精度浮点数：8字节；b)整型数：4字节计算线程分配a)不进行应力分析条件下，每10万个～15万个单元分配一个线程；b)进行应力耦合分析条件下，每5万个单元分配一个线程后处理温度场分析提取性能测试取样位置温度曲线，作为热处理工艺物理模拟的工艺曲线组织分析提取性能测试取样位置的组织分布，用于与物理模拟的金相检测结果对比应力场分析提取应力、应变和残余应力分布的信息，用于畸变、开裂评估以有限单元法为例。5.2前处理前处理的任务是为数值模拟提供一个初始的计算环境及对象，主要包括以下三方面内容：a)三维实体造型三维实体造型是将大型锻钢件的几何形状及尺寸以数字化方式输入，成为模拟软件可以识别的格式。模拟软件应与三维实体造型软件有相应的造型文件接口。b)网格划分网格划分是将实体造型分成一定形状、尺寸的单元。单元划分越小，模拟的精度越高。c)参数设置参数设置包括设定材料性能参数、材料相变动力学参数、热处理工艺参数等，其涉及的所有输入数据构成了热处理工艺数值模拟基础数据库。大型锻钢件热处理温度场数值模拟通过数值方法求解传热偏微分控制方程，获得热处理过程中大型锻钢件内部温度分布随时间变化的详细信息。温度场数值模拟是大型锻钢件热处理工艺数值模拟中最基本的内容，是组织场和应力场分析的基础。温度场数值模拟包括以下三部分内容：a)数学模型：大型锻钢件热处理温度场数值模拟通常采用含有内热源的瞬态传热模型。b)边界条件：——界面换热边界条件，是指大型锻钢件与加热或冷却介质界面上发生的热量交换的定量表达，通——内热源边界条件，是指大型锻钢件热处理过程中因相变潜热的释放或吸收，可采用等效比热法或内部热源法来处理。5GB/T37586—2019c)输入参数：大型锻钢件热处理温度场数值模拟的输入参数包括：密度、比热、导热系数、相变潜热和换热系数等。为提高数值模拟精度，应考虑组织类型和温度变化对密度、比热和导热系数的影响，以及相变类型和相变温度变化对相变潜热的影响。大型锻钢件组织场数值模拟以相变动力学模型为依据，通过数值方法计算热处理过程中的相变，获得大型锻钢件热处理全过程中组织场演变的详细信息，包括组织的种类、质量或体积分数及分布等。组织场数值模拟包括以下两部分内容：a)数学模型大型锻钢件热处理组织场数值模拟包括奥氏体晶粒长大模型与相变量计算模型。在进行温度-组织-应力三场耦合的分析中，相变动力学模型应考虑应力对组织场的影响。b)输入参数大型锻钢件组织场数值模拟的输入参数包括：相变潜热、相变临界点温度、相变动力学参数等。相变动力学参数可通过相关实验测试获得，也可从过冷奥氏体等温转变动力学曲线(TTT曲线)或过冷奥氏体连续转变动力学曲线(CCT曲线)提取。大型锻钢件应力场数值模拟以固体力学为基础，通过数值方法求解热处理过程中温度、相变耦合作用下的力学响应，获得大型锻钢件热处理过程中应力场演变的详细信息，包括最终残余应力分布和畸变。应力场数值模拟包括以下三部分内容：a)数学模型：大型锻钢件热处理应力场数值模拟主要基于固体力学的热弹塑性本构模型和热粘弹塑性模型。在大型锻钢件热处理过程的温度-组织-应力三场耦合分析中，相变对应力场的作用体现在相变应变和相变塑性应变上，它们均应包含在耦合相变的热弹塑性本构模型或热粘弹塑性模型中。b)边界条件：——位移边界条件，通常根据几何形状对称性，确定边界位移约束条件。c)输入参数：硬化指数、相变应变系数和相变塑性系数等。为提高数值模拟精度，应考虑组织类型和温度变化对材料力学性能参数的影响，以及相变类型对相变应变系数和相变塑性系数的影响。大型锻钢件热处理多场耦合数值模拟是利用数值方法同时求解热处理过程中多个具有相互耦合作用的物理场，获得温度、组织、应力等物理量在大型锻钢件中的分布及其随时间演变的详细信息。通常有三个热处理工艺数值模拟层次，即温度场的单一场模拟，温度场-组织场、温度场-应力场的两场耦合根据具体大型锻钢件的材料特性和热处理工艺特性，可选择不同层次的热处理工艺数值模拟，从不同程度上支撑热处理工艺的制定或优化。5.3求解计算求解计算主要是指利用计算机按照指定的设置在后台进行大型线性方程组的求解，这些设置包括6GB/T37586—2019后处理是将数值模拟的结果，输出为具有工程含义、用于指导工艺分析的图形图像和三维动画，实现数值模拟结果的可视化。5.5基准实验5.5.1如需对数值模拟工具进行适用性评估，可委托第三方或者数值模拟工具提供方进行基准实验。5.5.2基准实验应选择大型锻钢件材料制作的直径20mm～50mm,长度60mm～200mm试样，用5.5.3依据大型锻钢件材料过冷奥氏体连续转变动力学曲线(CCT曲线),在实验室条件下进行能够包含所有相变过程的热处理实验，并进行对应的数值模拟计算。5.5.4通过对比温度、组织和应力等的模拟结果和实测结果，分别获得数值模拟工具在温度场、组织场和应力场方面适用性的评估，具体内容如下：a)温度场评估温度场数值模拟的基准实验是对温度模拟结果的评估与验证，可通过对比实测模拟件内的温度变化曲线与模拟获得的温度变化曲线的方法进行。当两条曲线上的最大的温度误差低于5℃时，认为温度场数值模拟满足精度要求。b)组织场评估组织场数值模拟的基准实验是对组织模拟结果精度的评估与验证，可通过对比定量金相测定的组织类型与分数来实施。当组织分数相对误差低于10%时，认为组织场数值模拟满足精度要求。定量金相检测依据GB/T15749规定的方法实施。c)应力场评估应力场数值模拟的基准实验是对应力及其相关物理量的模拟精度进行的评估与验证，可通过对设计试样畸变或残余应力的实测值与模拟值之间的对比来实施。当相对误差低于15%时，认为应力场数值模拟满足精度要求。6热处理工艺物理模拟技术规范大型锻钢件热处理工艺物理模拟是以热处理工艺数值模拟结果中提取的大型锻钢件取样位置处的时间-温度曲线作为热处理模拟实验的工艺曲线，根据性能测试要求制备热处理模拟实验试样，在模拟实验炉内进行加热、保温和冷却等整个过程的热处理实验，并对热处理模拟实验后试样进行性能测试和显微组织分析。6.2模拟实验炉6.2.1模拟实验炉应能满足加热、保温和冷却功能于一体，便于操作。6.2.2热处理模拟实验炉空炉有效加热区温度均匀性应小于或等于3℃,有效加热区按GB/T9452或GB/T30825的方法进行测试。6.2.3测温与控温应按下列方法进行：a)应根据热处理工艺要求，配置符合GB/T32541所要求的控温系统；b)应配备跟踪显示加热、保温、冷却过程温度的记录装置；c)温度传感器的校准周期和校准允差应符合GB/T9452或GB/T30825的规定；7GB/T37586—2019d)应保证控温热电偶的温度曲线与物理模拟工艺的温度曲线一致；e)载荷热电偶的校准周期和校准允差应符合GB/T30825的规定；f)仪表系统准确度要求应满足GB/T32541中I类设备的规定要求。6.2.4冷却速度应满足以下要求：匀冷却试样。b)热处理模拟实验炉的冷却速度应可调节，最大冷速不小于2℃/s。c)冷却过程应可程控，可通过程控系统和转换开关按设定的冷却方式自动运行。6.3试样要求6.3.1热处理工艺物理模拟试样应取自大型锻钢件，保证试样与大型锻钢件的成分、锻造工艺和锻后热处理工艺等一致。取样部位和方向应按有关产品标准或协议规定，如无特殊要求可按照GB/T2975的规定进行。6.3.2物理模拟试样应包括至少2个拉伸试样、6个冲击试样和若干金相试样。拉伸试样尺寸应符合GB/T228.1的规定，冲击试样应符合GB/T229的规定，金相试样应符合GB/T13298的规定。6.3.3如需落锤与韧脆转折温度的测试数据，应准备8个落锤试样和6组～8组冲击试样，落锤与冲击试样应分别符合GB/T6803和GB/T229的规定。6.4试验规程6.4.1工装夹具和物理模拟试样入炉前应清除油、污物和印迹等。6.4.2检验装炉的工夹具，发现脆化、开裂等问题应及时修理或更换。6.4.3将物理模拟试样平稳、牢靠的固定在工夹具上，放置在有效加热区内，并保证试样的均匀加热、冷却及试样间气流通畅。6.4.4测温热电偶应焊在试样内，或者热电偶外壁加厚紧贴试样表面，以保证其测得的温度与试样温度一致。6.5性能测试经物理模拟试样其力学性能测试按GB/T228.1和GB/T229规定的方法进行，硬度检验按GB/T231.1规定的方法进行，落锤试验按GB/T6803规定的方法进行。6.6金相组织分析物理模拟试样的显微组织与晶粒度分析分别按GB/T13298和GB/T6394规定的方法进行。7安全和卫生热处理作业的安全和卫生应符合GB15735的要求，作业场所具备良好的通风除尘条件。8热处理工艺模拟报告热处理工艺模拟应出具报告，报告内容包括：8GB/T37586—2019——报告撰写人。——报告日期。 要求、工艺信息和数值模拟所采用的工具。——数值模拟结果，包括大型锻钢件取样位置的温度曲线，不同时刻大型锻钢件的温度分布云图、组织分布云图、应力分布云图和最终几何形状与尺寸。如果经过多次数值模拟，则需包括每个热处理工艺条件下模拟获得的上述结果。——物理模拟结果，包括实际的试样温度曲线，试样的组织与性能测试数据。——最终推荐的热处理工艺。9GB/T37586—2019(资料性附录)A.1项目名称1000MW级核电常规岛低压转子锻件锻后晶粒细化热处理工艺模拟。A.2基本信息1000MW级核电常规岛低压整体转子锻件毛坯质量约300t,最大截面直径约2900mm,长度约11000mm,其形状及尺寸如图A.1所示。30Cr2Ni4MoV钢具有较强的组织遗传性，在锻造中会形成稳定性大晶粒，因此在锻后要进行晶粒本项目采用数值模拟与物理模拟相结合的手段提供φ2900mm低压转子锻件在多次正火过程中的晶粒细化效果并确定相关工艺参数。5325±80(5086)10110±80(10349)11850±80(11612)(861)640±80(402)(1574)(1479)(1105)图A.1低压转子锻件的锻坯尺寸图30Cr2Ni4MoV钢锻件主要化学成分见表A.1。表A.130Cr2Ni4MoV钢的化学成分(质量分数，%)CVPS锻件φ2900mm的低压转子属极端尺寸，因此预设了900℃+870℃+870℃+870℃的4次正火工艺。对于30Cr2Ni4MoV钢生产的大型低压转子锻件的正火冷却过程，先采用空冷方式使工件表面温度降至250℃,然后再将转子移入200℃的炉内保温，直至转子工件各位置均达到230℃左右。空冷时间和炉内保温时间两者均通过有限元模拟计算获得。A.3.1.1网格划分考虑到转子的对称性，采用轴对称模型以及四节点单元进行有限元建模，如图A.2所示。正火加热过程中，工艺设置的炉温升温速度缓慢；冷却过程中采取空冷及炉内保温，降温速率也比较缓慢，图A.2中的网格密度能够满足计算的精度要求。图A.2低压转子锻件的有限元网格划分由于本项目仅需获得温度曲线，因此输入参数只需要与温度场-相变场耦合的相关材料参数：a)密度GB/T37586—201930Cr2Ni4MoV钢各单相组织在不同温度时的密度如式(A.1)所示。式中：PA.r——奥氏体温度区内密度，单位为千克每立方米(kg/m³);PB.r——贝氏体温度区内密度，单位为千克每立方米(kg/m³);PM,r—-—马氏体温度区内密度，单位为千克每立方米(kg/m³);T——摄氏温度，单位为摄氏度(℃)。b)比热容30Cr2Ni4MoV钢各单相组织在不同温度下的比热容变化如式(A.2)所示。式中：Cp,A——奥氏体温度区内比热容，单位为焦每千克开[J/(kg·K)];Cp,B——贝氏体温度区内比热容，单位为焦每千克开[J/(kg·K)];Cp,M——马氏体温度区内比热容，单位为焦每千克开[J/(kg·K)]。c)相变潜热马氏体转变为奥氏体相变潜热：△HM→A=—2.361×10⁸J/m³。贝氏体转变为奥氏体相变潜热：△Hβ→A=—2.359×108J/m³。过冷奥氏体转变为马氏体的相变潜热：△Hm=6.48×108J/m³。过冷奥氏体转变为贝氏体的相变潜热：△Hg=4.40×108J/m³。d)导热系数30Cr2Ni4MoV钢中不同组织在不同温度下的导热系数，如式(A.3)所示。式中：λA———奥氏体温度区内导热系数，单位为瓦每米开[W/(m·K)];λB———贝氏体温度区内导热系数，单位为瓦每米开[W/(m·KλM——马氏体温度区内导热系数，单位为瓦每米开[W/(m·K)]。A.3.2求解计算应用某软件进行数值模拟，结果如下：900℃和870℃正火时锻件心部、锻件表面温度以及工艺温度的变化曲线如图A.3所示，工艺要求及相应工艺时间见表A.2和表A.3。GB/T37586—2019900700600400300200050100150200心部工艺曲线时问/ha)900℃正火900工艺曲线700500400300200时间/hb)870℃正火图A.3锻件表面及心部模拟温度变化曲线转子低温加热时，为避免过大的热应力，采取炉温8℃/h的缓慢加热，达到650℃后保持；锻件心部温度从250℃上升至600℃需耗时98h,平均升温速度约3.6℃/h;升温过程中锻件心部与表面的温差逐步拉大，50h时达到了最大值约154℃,阶梯保温避免了温差的进一步扩大。表A.2900℃正火的工艺要求及相应工艺时间工艺要求相对时间/h总时间/h工件均温250℃炉温以8℃/h升至650℃炉温达650℃,待锻件心部升至600℃5炉温达900℃后，待锻件心部升至890℃炉温达900℃时，锻件心部达890℃后，奥氏体均匀化5锻件出炉，空冷至锻件表面250℃进炉后冷至锻件心部230℃(炉温200℃)表A.3870℃正火的工艺要求及相应工艺时间工艺要求相对时间/h总时间/h工件均温250℃炉温以8℃/h升至650℃炉温达650℃后，待锻件心部升至600℃炉温5h升至870℃5炉温达870℃后，待锻件心部升至860℃炉温870℃后，锻件心部达860℃后，奥氏体均匀化5锻件出炉，空冷至锻件表面250℃进炉后冷至锻件心部230℃(炉温200℃)A.4物理模拟A.4.1物理模拟试样物理模拟初始试样的组织。晶粒粗大，约为1.0级，组织为贝氏体，如图A.4所示。试样尺寸为12mm×12mm×12mm,共10组。4040uma)微观组织b)晶粒度图A.4粗晶粒试样的组织形貌A.4.2物理模拟试验通过数值模拟得到转子锻件正火过程中的温度变化后，将试样按照心部的温度变化曲线在热处理模拟炉中进行工艺的物理模拟。从之前的数值模拟结果可知，900℃+870℃+870℃+870℃的4次正火工艺需要用时约1370h,输入热处理模拟炉的正火工艺曲线如图A.5所示，各工艺节点的时间与温度值见表A.4。为了能够更全面地观察试样在此过程中的晶粒演变、更有效地利用4次正火物理模拟实验，因而设计了10组试样按照图A.6所示的步骤进行放置、添加和取出，这样可以充分利用4次正火模拟实验的机会同时观察到尽可能多的1次、2次和3次正火后的试样。温度/℃温度/℃正火温度：900℃400200正火温度：870℃400200a)900℃正火b)870℃正火图A.5物理模拟的工艺曲线GB/T37586