第十五章热处理

第十五章热处理本章导读金属材料的热处理通常是指将材料加热到相变温度以上发生相变并保持一定的时间，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能发生变化。机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。为保证机械产品的质量和使用寿命，通常都要将重要的机械零件进行热处理，例如据初步统计，在机床制造业中有60%~70%的零件要进行热处理，汽车和拖拉机制造业中有70%~80%的零件要进行热处理，工磨具及滚动轴承制造业中则100%要进行热处理。而且，只要选择的金属材料合适，热处理工艺得当，就能使机械零件的使用寿命成倍、甚至十几倍地提高，起到事半功倍的效果。因此，热处理是机械零件和磨具制造过程中的关键工序，是机械工业的一项重要基础技术，对于提高和控制材料的性能。充分发挥材料的性能潜力，节约材料，减少能耗并增加产品的可靠性，延长产品的使用寿命，提高生产单位经济效益都具有十分重要的意义。国际工业界公认热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否和保证产品质量的最关键因素。DEFORM-3D中的热处理模块可以模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等热处理工艺过程，能够预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和主要元素含量，并且有专门的材料模型用于蠕变，相变，硬度和扩散分析，同时可以分析材料晶相、应力应变，以及每种镜像的弹性、塑性热和硬度属性等。15.1问题分析本案例是一个斜齿轮的热处理工序，零件如图15-1所示，鉴于该零件的周期对称特点，这里取半个齿进行分析，如图15-2所示。图15-1齿轮图15-2半齿5个热处理工序如下：1)550℃预热半小时（1800s）；2)850℃渗碳2小时（7200s）；3)100℃油浴淬火20分钟（1200s）；4)280℃回火1小时（3600s）；5)空气中冷却1小时（3600s）。15.2问题建立15.2.1建立一个新问题双击DEFORM-3D图标，进入DEFORM-3D主窗口，单击【NewProblem】按钮，选择【Heattreatmentwizard】.如图15-3所示。点击【Next】指定问题存储路径。点击【Next】，输入问题名称GearHT，单击【Finish】完成新问题的建立。或者在进入DEFORM-3D主窗口后可以直接单击左侧PreProcess栏的HeatTreatment，输入问题名称GearHT，单击【Next】。图15-3选择模块15.2.2初始化进入初始化界面，选择公有制单位SI，勾选【Deformation】（变形）、【Diffusion】（扩散）、【Phasetransformation】（相变），单击【Next】。如图15-4所示。图15-4初始化15.2.3导入几何体进入Geometry界面后，选择【Importfromageometry,.KEYor.DBfile】，如图15-5所示，单击【Next】，导入安装路径\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS的3DTOOTH文件。导入的零件如图15-6所示。图15-5导入几何体模型图15-6几何体模型15.2.4生成网格在GenerateMesh界面，设置（Unstructuredmesh）非结构网格数量为8000，设置表面结构图层为1，单击【Initializelayerthickness】,设置涂层厚度为0.005。单击【OK】退出，单击【Next】。如图15-7,、15-8所示。图15-7生成网格图15-8涂层厚度15.2.5定义材料进入Material界面，选择【Importfrom.DBor.KEYfiles】单击【Next】。如图15-9所示。找到安装路径\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS的Demo_Temper_Steel.KEY文件，单击打开进入如图15-10所示界面，单击【Load】按钮完成材料定义。图15-9定义材料图15-10材料15.2.6工件数据初始化在Workpieceinitialization界面中，工件初始温度（Temperature）选择均匀（Uniform），数据设为20℃；工件碳原子（Atom）含量选择均匀（Uniform），数据设为0.2；工件相的体积分数（Phasevolumefraction）选择均匀（Uniform），并将珠光体+贝氏体（Pearlite+Banit）的体积分数设置为1，其他相均为0。单击【Next】。如图15-11所示。图15-11工件数据初始化15.2.7定义介质在MediumDetails界面中，定义几种不同的介质和相关热传导区域。1）在左侧的Media栏中，单击【Rename】按钮，将第一种介质命名为HeatingFurnace，如图15-12所示，单击【OK】按钮。在右侧的Heattransfercoefficient栏中，热传导区域（Zones）设为默认（Default）将热传导系数（Heattransfercoefficient）设为常数（Constant）0.1，如图15-13所示。图15-12定义介质名称图15-13设置介质参数2）单击Media栏中的按钮，新增一种介质并命名为Carb.Furnace。如图15-14所示。在右侧的Heattransfercoefficient栏中，热传导区域（Zones）设为默认（Default）将热传导系数（Heattransfercoefficient）设为常数（Constant）0.05。在辐射（Radiation）栏中，将便面反应扩散系数设为常数（Constant）0.0001如图15-15所示。图15-14定义介质名称图15-15设置介质参数3）单击Media栏中的按钮，新增一种介质并命名为Oil，单击【OK】退出。如图15-16所示。在右侧的Heattransfercoefficient栏中，热传导区域（Zones）设为默认（Default）并将热传导系数（Heattransfercoefficient）设为常数（Constant）5.5。取消选中辐射（Radiation）。如图15-17所示。图15-16定义介质名称图15-17设置介质参数单击Heattransfercoefficient栏中的新增热传导区域（Zones）按钮，命名为Zone#1。通过左下角的表面元素拾取窗口的和按钮，选取工件底面。设置该面的热传导系数（Heattransfercoefficient）为与温度有关，单击按钮输入表1中数据，单击【Apply】按钮应用，单击【OK】按钮完成数据设置。如图15-18、15-19所示。TemperoratureConvectionCoefficient202.12502.85006.87504.010002.5表1图15-18选择热传导店面图15-19热传导系数曲线4）单击Media栏中的按钮，新增一种介质并命名为Air，单击【OK】退出。如图15-20所示。在右侧的Heattransfercoefficient栏中，热传导区域（Zones）设为默认（Default）并将热传导系数（Heattransfercoefficient）设为常数（Constant）0.02。如图15-21所示。单击【Next】完成介质定义。图15-20定义介质名称图15-21设置介质参数15.2.8工序定义在Schedule界面中，连续单击按钮5此，输入5个阶段工序计划：1)550℃预热半小时（1800s）；2)850℃渗碳2小时（7200s），将碳原子（Atom）含量设为0.8；3)100℃油浴淬火20分钟（1200s）；4)280℃回火1小时（1800s）；5)空气中冷却1小时（3600s）。输入后如图15-22所示，单击【Next】完成工序定义。图15-22热处理工序定义15.2.9设置模拟参数在SimulationControl界面中，选择自动（Auto），并将步骤定义（StepDefinition）中的每步温度变化量设置为2，其他保持默认参数。在对称面定义栏中单击按钮两次,增加两个对称面Sym.Plane#1和Sym.Plane#2。选中Sym.Plane#1，通过表面元素拾取窗口的按钮选择C面为对称面Sym.Plane#1，D面为对称面Sym.Plane#2。如图15-23所示。另外，由于工件模型为弹塑性变形，需要定义固定节点边界条件。因此需要选择合适的节点作为边界条件。对于此模型，对称面C，D已经提供了X，Y方向和旋转约束。因此只需定义Z方向的约束。所以选择V_z=0，利用表面元素拾取窗口（PickSurfaceElements）的按钮，选择如图15-24所示节点。单击【Finish】按钮，弹出图15-25所示询问对话框。单击【OK】完成问题新建。单击按钮退出热处理模块，进入到主窗口。图15-23图15-24图15-2515.3模拟和后处理在主窗口中，单击或者单击Simulator栏中的Run选项开始模拟，如图15-26所示。图15-26运算结束后，选择DEFORM-3DPost选项，进入后处理模块。温度如图15-27所示。图15-271)检查油淬火以后的坯料状况，包括碳含量，马氏体（M）、铁素体（F）和珠光体+贝氏体（PB）,残余应力。在此点，接近次面的马氏体含量是0.77，最大等效应力达到470ksi（由于裂纹的存在，师姐工作中不存在这么搞得应力，1ksi=6.894N/mm2=6.894MPa）。2)检查回火后坯料的状况。注意齿面马氏体减少到0.2，大部分已经转化为回火铁素体+渗碳体。最大等效应力也减小到180ksi。