淬火應(yīng)力的研究進(jìn)展

鄭漢清

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620）

在我們進(jìn)行快速淬火處理過程中，金屬材料在不同的淬火溫度下，其心部也會在不同的淬火速度下進(jìn)行快速冷卻，在這個淬火熱處理過程中，金屬材料的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受熱狀態(tài)都可能會同時發(fā)生某些變化，因此，在我們進(jìn)行快速淬火處理過程中，必將會在金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，,并且會改變這些金屬材料的內(nèi)部體積和從而使其產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力變形。一般來說，鋼鐵在熱處理過程中產(chǎn)生的淬火應(yīng)力主要認(rèn)為是由兩種客觀條件因素造成的，分別是由于工件溫度的劇烈變化引起的熱應(yīng)力和由于組織結(jié)構(gòu)變化不均勻所致而引起的組織應(yīng)力。熱應(yīng)力通常是指一種工件在進(jìn)行連續(xù)加熱或者冷卻的工作過程中，由于接觸工件本體表面層和工件中心層內(nèi)部而可能存在的溫度差，鋼件內(nèi)外的膨脹和收縮不同而形成的應(yīng)力。淬火熱應(yīng)力一般導(dǎo)致工件的中心部形成拉應(yīng)力，表面形成壓應(yīng)力。相變應(yīng)力主要是指金屬材料在進(jìn)行熱處理工藝過程中發(fā)生了一系列的微觀組織轉(zhuǎn)變,即相變過程中所發(fā)生的應(yīng)力，包括非均勻相變所引起的組織應(yīng)力以及不等時相變所引起的其他附加應(yīng)力。這兩種相變應(yīng)力均是來自于不同組織之間比容的差異。

零件在進(jìn)行相應(yīng)熱處理后對其測量的殘余應(yīng)力主要指的是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的總和，其大小一般隨著零部件尺寸的增加而增大。在對大型的零件熱處理過程中，為了能夠獲得需要的組織性能，并且不會產(chǎn)生比較大的殘余應(yīng)力，增加產(chǎn)品成功的概率，只有依賴傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗來設(shè)計產(chǎn)品的淬火工藝。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可靠性比較高，但是存在許多問題：①投資成本過高，需要花費(fèi)大量的時間，為了找出殘余應(yīng)力分布的規(guī)律，需要對大量試樣進(jìn)行測量。②對于簡單形狀的樣品，截面殘余應(yīng)力比較好測量，但是對形狀復(fù)雜的的試樣來說，測量比較困難。③簡單形狀的樣品測量的結(jié)果不能直接用到大型形狀復(fù)雜的零件上。由于這些問題，傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足我國機(jī)械工業(yè)和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，隨著熱處理數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)模擬技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在淬火熱應(yīng)力的研究，并受到人們的重視，已成為當(dāng)今世界各國研究的熱點(diǎn)。

1 淬火應(yīng)力模擬國外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于淬火應(yīng)力的科學(xué)仿真與模擬的實(shí)驗研究早在在上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)初步開始了。1977年，瑞典著名物理學(xué)者Hidenwall[1]首次利用了一種被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的疊加法則，即一種根據(jù)等溫加熱轉(zhuǎn)變的連續(xù)孕育期來預(yù)測連續(xù)冷卻的時候，鋼鐵材料的轉(zhuǎn)變溫度的疊加方法，將連續(xù)冷卻的的整個過程，依次離散轉(zhuǎn)化為各個小時段的階梯式連續(xù)冷卻的過程。并且他們借助虛擬時間這個基本概念，解決了如何通過TTT曲線來精確預(yù)測連續(xù)冷卻過程中，材料在組織結(jié)構(gòu)是發(fā)生的變化問題。日本材料研究學(xué)者Umemoto[2]對Fe-0.2C，F(xiàn)e-0.43C兩個合金的鐵素體和一位法國的學(xué)者Fernandes[3]對XC80合金的珠光體都進(jìn)行了類似的珠光體實(shí)驗，驗證了這個離散原則的各種實(shí)際應(yīng)用的可行性。奧地利學(xué)者Rammerstorfer[4]對模擬淬火材料工藝制造的過程進(jìn)行了熱彈塑性的定量分析，并對比了等向運(yùn)動強(qiáng)化和材料隨動強(qiáng)化、蠕變、相變塑性等對材料模擬淬火結(jié)果的應(yīng)力影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變塑性對材料熱處理后的應(yīng)力影響較大，而蠕變對應(yīng)力的影響較小可以忽略不計。日本學(xué)者T.Inoue[5]對淬火和回火的過程進(jìn)行了連續(xù)、系統(tǒng)的物理模擬和數(shù)值模擬，其軟件“ HEARTS”可以廣泛的用于模擬中小型零件的水淬、滲碳淬火和感應(yīng)淬火，并且已經(jīng)得到了實(shí)際的試驗成果和結(jié)論的支持。法國學(xué)者Deni[16]在對馬氏體淬火過程中進(jìn)行熱力學(xué)分析和內(nèi)應(yīng)力計算時，考慮了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對馬氏體相變動力學(xué)的作用和影響，描述了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對材料熱處理過程中馬氏體的殘余應(yīng)力的作用和影響，并與實(shí)測應(yīng)力的狀態(tài)進(jìn)行了比較，得到良好的結(jié)果。此外，匈牙利的 Gergely[6]，瑞典的 Sjostrom[7]和德國的 Schroder[8]也都對淬火過程中的硬化規(guī)律、產(chǎn)品大小和工藝條件環(huán)境的影響做了數(shù)值分析的深入研究。1984年5月23日至25日在瑞典 Lingkoping 大學(xué)舉辦的首屆金屬材料熱處理殘余應(yīng)力模擬計算論壇會議，來自17個地區(qū)和國家的近100名專業(yè)學(xué)者出席了會議，并且發(fā)表了大量有價值的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。

2 淬火應(yīng)力國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在淬火熱處理中進(jìn)行仿真和模擬技術(shù)的研究工作開始比較晚，但到現(xiàn)在也已經(jīng)得到了顯著地發(fā)展。從上世紀(jì)八十年代早期開始，國內(nèi)專家學(xué)者們開始對淬火熱處理的數(shù)值模擬進(jìn)行了深入的研究。最初的開展研究工作的是原化工部機(jī)械研究院的姚善長學(xué)者[9]和陜西機(jī)械學(xué)院的袁發(fā)榮[10]等學(xué)者通過測量對軸對稱零件所需淬火熱處理過程進(jìn)行了計算機(jī)仿真模擬。上海重型機(jī)器廠的吳景之學(xué)者[11，12]通過對大鍛件加熱和淬火冷卻時的溫度場的變化現(xiàn)象分析進(jìn)行了深入的模擬研究，中國航空信息中心的石林學(xué)者[13]通過采用用計算機(jī)編程方法進(jìn)行對在汽車中的渦輪盤淬火模擬研究，深入研究了渦輪盤淬火時的冷卻速率、淬火介質(zhì)流動以及殘余應(yīng)力的變化過程。八五期間，清華大學(xué)與著名的上海重型機(jī)械廠共同合作對大型鋼鍛件的各種淬火處理技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究[14，15]，實(shí)測了若干鋼種的熱物性、力學(xué)物理性能、相變動力學(xué)和相變塑性等參數(shù)，還對常見的各種淬火處理技術(shù)，例如水淬、噴水、以及淬火噴霧等過程的表面熱轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗分析研究，并且獲得了大量的淬火實(shí)測試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗計算公式。在這些大量的實(shí)測數(shù)據(jù)和大量的經(jīng)驗計算公式的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)劉莊教授研究團(tuán)隊通過利用有限元法獨(dú)立研制出了熱處理數(shù)值模擬軟件包，即 NSHT (Numerical Simulation of Heat Treatment)，并通過利用該軟件分析了大型鍛件在淬火熱處理工藝過程中的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且獲得了較為令人滿意的結(jié)果。上海交通大學(xué)從上世紀(jì)90年代初期就開始專注于于滲碳、滲氮及淬火過程，進(jìn)行了計算機(jī)控制與數(shù)值模擬研究。該研究項目的課題組研究開發(fā)的滲碳控制管理軟件 SITU-CARBCAD 已經(jīng)被成功地廣泛應(yīng)用到了滲碳熱處理爐的在線自動控制與在線自動決策。另外，在國際上最常見的通用有限元平臺MSC.MARC 軟件的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過用戶進(jìn)行自定義的子程序，分別實(shí)現(xiàn)了對冷軋輥、支承輥[16，17]、錨環(huán)[18]、曲軸[19]在持續(xù)加熱后的淬火過程中的溫度場、組織場和殘余應(yīng)力進(jìn)行計算[20]，得到的結(jié)果與實(shí)驗數(shù)據(jù)一致性很高，己被廣泛應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)過程中。在對有限元計算方法、表面換熱系數(shù)、相變塑性、相變動力學(xué)等這些基本理論的研究方面也已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究。近年來，國內(nèi)的一些研究和學(xué)者同樣也對淬火加工過程的模擬技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，發(fā)表了許多關(guān)于該技術(shù)的研究文獻(xiàn)，并且舉辦了多次具有特色和專業(yè)性的國際會議。從第一屆熱處理殘余應(yīng)力大會開始就已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了與當(dāng)代我國處理專家學(xué)者密切相關(guān)的大量有關(guān)熱處理模擬模型應(yīng)力研究學(xué)術(shù)論文。在以后的第二屆、第三屆淬火及淬火變形控制會議中也相繼發(fā)表了許多我國相關(guān)研究成果報告[21]。在上海交通大學(xué)舉行的首屆熱處理工藝數(shù)學(xué)模型與計算機(jī)仿真模擬國際會議，是一次專門針對熱處理工藝計算機(jī)模擬界的國際會議，會議共搜集并匯編了國內(nèi)外學(xué)術(shù)論文53篇，基本介紹了當(dāng)前熱處理模擬計算技術(shù)在國際上應(yīng)用的主要方法以及計算機(jī)仿真領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用水平。

在淬火過程熱應(yīng)力的實(shí)測方法上，東北重機(jī)學(xué)院的康大韜學(xué)者[22]最先提出通過X-射線應(yīng)力分析法和大截面試樣的逐次剝離分層的方法，深入研究了各種調(diào)質(zhì)大軸中內(nèi)部殘余熱應(yīng)力的分布規(guī)律，找到了可以準(zhǔn)確描述調(diào)質(zhì)工件內(nèi)部殘余熱應(yīng)力沿工件橫截面分布規(guī)律的函數(shù)式和計算公式。張海[23]應(yīng)用X射線應(yīng)力分析法和大截面試樣的逐次剝層法來綜合檢驗了18Cr2Ni4W鋼試樣中淬火殘余應(yīng)力沿截面的分布。研究了大型鍛件淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、分布的基本規(guī)律和其他的測量手段。劉峻[24]提出了利用化學(xué)腐蝕剝層法和 X 射線法兩種相結(jié)合的方法來測量表層殘余應(yīng)力，解決了由于激光相變硬化區(qū)尺寸小和不宜制備傳統(tǒng)剝層法試件所帶來的問題。并且深入地分析研究了表層殘余應(yīng)力梯度的影響。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院任泉莊[25]等研究人員分別利用盲孔法對分別經(jīng)淬火-回火和淬火-配分后Fe-0.38C-1.44Mn-1.52Si-0.61Cr鋼試樣的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量,結(jié)合該類型鋼材質(zhì)試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)物理變化特征,研究了殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。分析了淬火-配分試樣的殘余應(yīng)力低于淬火-回火試樣的原因是顯微組織內(nèi)存在高的殘留奧氏體量和因配分被顯著軟化的馬氏體基體。上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院的向宏霄等[26]利用儀器化壓痕方法對S450鋼平板的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了測量，并提出四點(diǎn)彎曲單向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行驗證，并將測量結(jié)果與盲孔法和切割法進(jìn)行對比。結(jié)果表明儀器化壓痕法測量準(zhǔn)確可靠，能夠有效用于焊接殘余應(yīng)力的快速無損檢測。

3 結(jié)論

數(shù)值模擬技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)過程中起著越來約重要的作用，特別是將數(shù)值模擬測量殘余熱應(yīng)力技術(shù)用在鋼鐵開裂的問題上，能夠在節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，快速高效的幫助人們找出開裂的原因，優(yōu)化和改進(jìn)熱處理加工工藝。