仿真技术在热处理综合实验教学中的应用研究

袁林江, 骆 芳, 郑 洁, 王海根, 李季良

(浙江工业大学之江学院, 浙江 杭州 310024)



仿真技术在热处理综合实验教学中的应用研究

袁林江, 骆 芳, 郑 洁, 王海根, 李季良

(浙江工业大学之江学院, 浙江 杭州 310024)

通过使用仿真软件,对热处理综合实验进行了应力仿真,解决了学生对淬火应力以及由应力引起淬火件变形的直观体验的难题,使得抽象的概念具体化。结合实例进行仿真实验,观察到淬火温度与工件厚度的关系、应力的分布及其与淬火温度的关系、淬火介质对淬火应力的影响,给出了实验得到的金相组织图。通过改变仿真工艺参数,可以进行更多探索性实验,加深学生对淬火应力及影响因素的理解。

热处理； 淬火应力； 仿真技术； 实验教学

热处理综合实验在机械类专业实践教学中占有重要的地位,是培养学生创新能力以及实践能力的主要环节[1-2]。在实验教学中,教师往往会忽略学生对淬火应力的直观体会,使学生对淬火变形的原因没有深刻的理解[3-4]。本文通过引入仿真技术,对淬火处理过程进行了数值仿真,使学生能够直接观察到淬火温度的变化以及淬火应力的存在。通过改变仿真工艺参数,学生能够综合了解热处理材料在淬火介质中产生的淬火应力。将仿真技术与实验结合,加深了学生对热处理综合实验的理解[5-9]。仿真实验可连续、多次进行,降低了实验的成本；对于不易观测、难以言明的某些现象,采用仿真技术更有利于学生进一步的学习和探索。

1 仿真的理论基础

采用ANSYS软件对热处理综合实验的淬火过程进行仿真。通过改变热处理过程中的淬火温度、淬火介质以及钢板的厚度来观察淬火应力的变化,并对淬火温度与淬火应力的关系进行讨论。

1.1 仿真数学模型的选择

选取仿真实验的热分析过程为瞬态热分析,热传递的方式为热传导的形式[10],边界条件为对流换热边界条件[11-12]。淬火过程中,钢板的热膨胀系数随着温度的改变而变化,钢板的热应变就会受到约束而不能释放,于是产生应力,发生热变形,即屈服。屈服时应力满足的条件即为屈服条件。

三维主应力空间下的Von Mises屈服条件为[13]

其中,σs为屈服强度(单向拉伸),σ1、σ2、σ3分别为正交方向的主应力。当

时,也即Von Mises等效应力值大于屈服强度时,材料就会发生屈服现象。

1.2 实验和仿真参数的选取

选用学生做实验常用的45钢作为仿真和实验的研究对象,平面尺寸100 mm×50 mm。实验中,钢板的厚度δ分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm,加热温度分别取780 ℃、840 ℃和910 ℃,实验样品数量均为2个。

考虑钢板的轴对称结构,选取1/4三维几何模型作为仿真对象。45钢的热物性参数为:密度7 850 kg/m3,泊松比为0.28,其余参数如图1所示。

图1 45钢的热物性参数

2 实验结果与仿真分析

2.1 淬火温度仿真分析

图2显示的是淬火介质为水、淬火温度为780 ℃、淬火时间为60 s时,钢板厚度为1 mm、3 mm和5 mm的温度分布图。由于钢板边缘与水介质接触面积大,冷却速度快的原因,导致了图中出现了温度不均匀的现象,呈现出了比较明显的温度梯度,但温度梯度差不大。厚度越大的钢板所需的冷却时间越长。从图中发现,厚度为1 mm的钢板,仅需60 s,温度就已降到了42.9 ℃,如此快的冷却速度,对钢板淬冷后的性能,特别是抗拉强度都极为不利。而且,如此快速的降温,学生在实验过程中,用现有的实验设备难以进行测量。仿真技术的使用,使淬火温度的变化更加的直观化。

图2 不同厚度钢板的温度分布图

为了便于学生更加清晰地观察钢板温度的变化,取图2钢板某一节点(Node1327)处的温度分布(见图3)。图3中,随着时间的变化,温度在逐步下降,曲线光滑。温度梯度效果明显。在相同的时间内,厚度大的钢板降温较慢；而厚度小的钢板,节点处的降温相对偏快。理想状态下,在马氏体转变前(250 ℃左右),冷却速度大,有利于组织避开向珠光体的转变；而在马氏体开始转变后,冷却速度缓慢则最为适宜。图3(a)中,如此快速的降温有可能引起淬火应力集中,导致基体变形,甚至可能出现裂纹[14-15]。

图3 同一节点、不同厚度钢板的温度分布图

2.2 淬火应力仿真分析

为了使学生体会到淬火应力的存在,对图2中钢板进行应力仿真(见图4)。从图中可以看出,由于温度梯度的存在,致使钢板表面及其内部产生了应力流,而且应力的分布呈现不均匀性。随着钢板厚度的增大,淬火应力也随之增大,最大应力集中于边缘的一侧,小的应力主要集中在钢板的中心部位,而且,随着厚度的增大,小的淬火应力有向边缘另一侧扩散的现象。这说明,随着钢板厚度的增加,减小了钢板中心处以及部分边缘的应力值,但整体上,应力值在增大。

图4 不同厚度钢板的应力分布图

为了对比淬火温度对淬火应力的影响,选取厚度为1 mm、不同淬火温度的钢板进行应力比较分析(见图5)。从图5中可以看出,在淬火进行到60 s的时候,钢板的应力分布规律依然保持基本相似的状态,但是由于淬火温度的不同,钢板的淬火应力也不同,温度越高,应力越大。

图5 水淬后钢板的应力分布图

选取图5中3个钢板的节点Node1327进行水淬后的应力分析。如图6所示,在淬火开始时,钢板的应力变化比较快速,基本上呈线性状态；而在后期,应力的变化比较缓慢,当接近56 s时,钢板的应力基本趋于稳定,淬火应力基本上达到最大值,水淬过程基本结束。可以看出:在一定温度范围内和其他条件相同时,温度越高,淬火后的应力越大(见图6),钢板发生的变形也会越严重(见图7)。

图6 水淬后节点的应力分布图

图7 δ=1 mm的钢板水淬后变形情况

为了帮助学生理解淬火介质对淬火应力的影响,再选用机油作为淬火介质,得到δ=1 mm、淬火开始60 s时钢板的应力分布(见图8)。可以看出,其应力流的分布规律与水淬基本相似。区别在于油淬冷却时间长,释放应力缓慢,应力难以集中。这也说明油淬能够很好地减少淬火应力、降低钢板的变形程度。对于一些淬裂倾向较大的材料,油淬效果要优于水淬。

图8 δ=1 mm钢板油淬后的应力分布图

取节点Node1327,观察其应力随时间的变化。图9(a)中,在47 s之前,节点处的应力呈线性变化,但其变化的速率明显要低于图9(b)、(c)；但在47 s之后,应力出现了阶梯性增长,容易引起应力集中。虽然整体上应力值较大,但在后期缓慢的冷却过程中,应力得以释放,冷却能力远小于水淬,冷却能力弱,故而采用机油作为淬火介质,比较适用于淬透性较好的合金钢材料。

2.3 实验结果的分析

图10为学生热处理实验所得不同温度水淬后的金相组织图。图10(a)中,金相组织为铁素体和马氏体,45钢不完全奥氏体化。由于加热温度未达到完全奥氏体化,只有部分组织向奥氏体转变,当其冷却时,奥氏体转变为马氏体,铁素体未发生转变而残余。因此,淬火应力相对较小。当45钢加热到840℃,水淬后得到较细的马氏体,完全奥氏体化,淬火应力较大于。图10(c)为粗大的马氏体组织,其主要原因是淬火温度的提高,引起了除组织从铁素体和珠光体转变成奥氏体之外,同时,转变的奥氏体有晶粒长大的现象,因此,粗大的奥氏体转变成粗大的马氏体,所发生的转变应力达到最大。

图10 水淬后金相组织

淬火介质的选取,不仅决定马氏体转变过程中应力大小,还决定了淬火变形和裂纹的发生。为了进一步研究淬火应力与冷却介质的关系,取780℃油淬的金相组织观察(图11)。由于油的冷却能力差,冷却曲线与等温转变曲线在“鼻子尖”处相交,淬火后得到除了少量马氏体之外,还有较多的屈氏体产生。从金相图来看,晶粒越细小,所需转变应力也越小(见图8(a)和图5(a))。

图11 780℃油淬金相组织

3 结语

将仿真技术运用到热处理综合实验教学的淬火实验中,学生能够观察到淬火中钢板内部存在着变化不大的温度梯度,能够观察到在钢板的表面及其内部有等效应力流存在且分布呈现不均匀性。此外,学生能够直观地观察到应力与温度间的关系,并且可以进一步研究钢板任一点的温度、应力和变形。学生能够运用所学的力学以及工程材料知识,通过改变仿真工艺参数,经过仿真实验和实物实验的对比,更好地理解和掌握金属热处理知识,提高分析问题、解决问题能力。

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Research on simulation technology applied to comprehensive experimental teaching of heat treatment

Yuan Linjiang, Luo Fang, Zheng Jie, Wang Haigen, Li Jiliang

(Zhijiang College of Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310024,China)

By using the simulation software, the stress simulation is carried out for the thermal processing comprehensive experiment, which solves the problem for the students to experience intuitively the quenching stress and the deformation caused by stress, making the abstract concept concrete. Based on the example of the simulation experiment, the relation between the quenching temperature and thickness of the work-piece is observed, and so is the relation between the quenching temperature and the force distribution.The influence of quenching medium on the quenching stress is spotted, and the metallographic structure is worked out.By changing the parameters of the simulation process, more exploratory experiments can be carried out to deepen the students’understanding of the quenching stress and influencing factors.

heat treatment; quenching stress; simulation technology; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.032

2016-05-31

浙江省高校实验室工作研究项目(Y201321)；浙江工业大学实验教学改革研究项目(G1460413737900)；浙江工业大学实验教学改革研究项目(G1352120022204)

袁林江(1984—),男,河南信阳,硕士,助理实验师,主要研究方向为机械基础的实验教学.

G642.0

A

1002-4956(2016)11-0130-05