大型回轉體鍛件淬火過程數值模擬

北京奇峰聚能科技有限公司光伏材料與技術國家重點實驗室（100010） 孔德群 裴艷敏 崔 燾 邢立業

大型鍛件熱處理過程中溫度場和組織場分布及其變化極不均勻，因此產生較大的瞬時應力和殘余應力，進而使工件產生較大的變形甚至開裂。計算機數值模擬技術可以揭示熱處理過程中零件內部的瞬態溫度場、組織變化、內應力或深層濃度變化等模擬采用溫度-相變-應力/應變三者耦合的算法。熱處理過程計算機模擬所用的軟件有ABAQUS、ANSYS、MARC等通用有限元軟件，還有日本的HEARTS、美國的DERFORM-HT、瑞典的TRAST，以及我國清華大學的NSHT、上海交通大學的SJTU-CARBCAD等專業軟件。

本文利用DERFORM-HT軟件模擬分析了低碳合金鋼大型鍛件在淬火加熱過程中溫度場、組織場和應力場的變化，根據模擬結果預測和揭示鍛件淬火加熱過程中的規律，從而為加熱保溫時間的選擇提供參考依據，達到優化工藝、縮短生產周期和降低生產成本的目的。

1.模擬過程

（1）建模 使用Pro-E軟件建立回轉體的三維模型，回轉體外徑620mm，軸長850mm。回轉體為軸對稱，為簡化計算時間，選取其1/18模型導入DERFORM-HT，劃分2萬個單元格（見圖1），進行數值模擬分析。

圖1 回轉體三維模型

（2）選材 回轉體的材質為合金鋼20Cr2Ni4，DERFORM-HT數值分析選擇軟件數據庫里BS-655M13鋼，其合金成分接近，C、Cr含量略有差異，見附表。

合金的化學成分（質量分數） （%）

（3）熱處理工藝 回轉體淬火工藝參數為：空氣電阻爐中加熱，淬火溫度850℃，升溫階段在450℃、650℃分別設置保溫臺階2h，650℃以下升溫速度50℃/h，650℃以上升溫速度100℃/h。以850℃保溫時間為變量，通過相應的結果與分析，優化選擇保溫時間。

2.模擬結果

（1）臺階保溫階段 450℃保溫2h時的溫度、應變及應力場見圖2，回轉體內外溫差較小，但存在應力集中，主要分布在溝槽、臺階及心部等處，大部分應力在100MPa以上，局部最高達到200MPa左右。650℃保溫2h時的溫度場、應力及應變見圖3，內外溫差為15℃，回轉體內部仍存在應力集中，應力水平有所下降，大部分應力在50～100MPa，最高達120MPa左右。

圖2 450℃保溫2 h

圖3 650℃保溫2h

（2）奧氏體轉變初始 如圖4所示，只有軸頭和臺階凸起的上部發生部分組織轉變。由于此時升溫較快，回轉體內外最大溫差約50℃，外徑與心部溫差約30℃。應力主要集中在溝槽、臺階及心部等處，而應力水平較低，最高60～70MPa。

（3）850℃保溫過程 850℃保溫2h后回轉體的溫差進一步增大，應力水平很低，奧氏體轉變體積增大，軸部和槽部凸起臺階部分的奧氏體轉變基本完成，中部的奧氏體轉變量是距離心部距離的函數。此時熱膨脹引起的體積增大與組織轉變引起的體積減小趨于抵消平衡。850℃保溫4h后回轉體的溫差仍很大，約60℃；不過應力水平很低，低于50MPa；軸部和臺階凸起部分奧氏體轉變完全，其他部分也接近完成，均在96%以上。相比奧氏體轉變引起的體積減小，熱膨脹引起的體積增大占主導地位，回轉體的體積膨脹分數為3.05%（見圖5）。

（4）奧氏體轉變完全 850℃保溫4h50min時回轉體的奧氏體轉變全部完成（見圖6），此時回轉體的溫差縮小，約30℃；回轉體內部應力水平進一步降低，低于40MPa；熱膨脹引起的體積增大仍占主導地位，回轉體的體積膨脹分數為3.17%。隨著保溫時間延長，溫差進一步縮小，應力也降低，如圖7所示。 850℃保溫7h時內外溫差僅5℃，大部分應力20MPa，局部最大應力也低于40MPa。

3.結語

本文以大型回轉體鍛件淬火加熱過程的溫度場與應力場變化為研究對象，以850℃保溫時間為變量，通過結果與分析來優化850℃保溫時間，以期為熱處理工藝實踐提供參考。根據模擬分析結果，加熱階段要緩慢升溫，以防熱應力過大引起產品缺陷，推薦的保溫時間為6～6.5h。經實踐證明，在850℃加熱6.5h，熱處理后回轉體的晶粒度、金相組織與力學性能，以及產品合格率均符合指標要求。

圖4 奧氏體轉變初始

圖5 850℃保溫4h

圖6 奧氏體轉變結束

圖7 850℃保溫6 h