扩散焊接多层材料淬火过程的有限元分析.pdfVIP

第29卷 第12期 北 京 科 技 大 学 学 报 V0I．29 No．12 2007年 12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec．20o7 扩散焊接多层材料淬火过程的有限元分析 董 雷 韩庆礼 刘国权 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 摘 要 采用有限元方法模拟了TC4／v／cu／Ni／Gcr15焊后多层材料淬火过程中的温度及应力场，模拟中考虑了轴承钢中马 氏体相变的影响，模拟结果表明：淬火过程中，中间层是应力最为集中的区域，钢中发生的马氏体相变起到了降低应力的作 用；中间Cu层是剪切应力最为集中的区域；最大剪切应力出现在马氏体相变前铜层外表面处，是引起工件失效的主要原因； 轴承钢层厚度的减小可以明显降低工件中最大剪切应力，但不能从根本上消除引起工件失效的危险因素， 关键词 多层材料；扩散焊接；淬火应力；有限元分析；马氏体相变 分类号 TG156．34 钛合金与轴承钢之间的扩散焊接一直是焊接工 1 轴承钢马氏体相变模拟 作者的一个研究重点 J．采用V／Cu／Ni复合阻隔 层扩散连接工艺有效地避免了金属间脆性相生成， 1．1 马氏体组织转变模型 获得了具有较好力学性能的焊接接头．但由于各层 马氏体相变是一组织、应力、温度相互耦合的非 材料的热膨胀系数不匹配，在后续的热处理过程中， 线性过程．组织转变伴随着物理性能(膨胀系数、比 界面处将产生较大内应力，这可能会引起材料沿着 热容、导热系数)和力学性能的变化，同时还有相变 中间界面断裂失效．因此，研究在热处理过程中焊 潜热释放，这些是马氏体相变数值模拟的主要内容． 后多层材料热应力和残余应力的分布及变化具有非 轴承钢的淬火马氏体相变属于变温无扩散型相 常重要的现实意义． 变，其转变量 厂可以由马氏体变温动力学方程[ ] 有限元方法是20世纪50年代发展起来的数值 确定： 分析方法．利用有限元模拟，可以对热处理过程中 f=1一exp[一口(Ms—T)] (1) 材料的应力和组织变化及分布进行数值分析，进而 其中，n为常数，决定于钢的成分，在碳钢1．1％C 可以对热处理工艺以及材料的结构和形状进行优化 以下为0．011；Ms为马氏体相变点；T为瞬时 设计[2-3]．但目前的热处理模拟都是对单一材料进 温度． 行研究[ ，以多层材料为对象的热处理模拟研究 采用膨胀法测定了 M 点．图 1是利用 很少． ADAMEL DT1000淬火膨胀仪，测得GCrl5轴承钢 本文首先采用膨胀法测定出GCr15轴承钢的 在奥氏体化温度为860℃下，无外加应力作用时的 马氏体相变点(M )，计算出奥氏体、马氏体以及奥 膨胀曲线． 氏体向马氏体转变的膨胀系数，建立了轴承钢淬火 过程的马氏体相变模型．在此基础上，利用有限元 方法模拟了具有马氏体相变的GCr15／Ni／Cu／V／ TCA多层结构材料的淬火过程，分析了在淬火过程 婚 中材料的应力分布及变化情况；讨论了轴承钢层厚 度对工件中最大剪切应力的影响．模拟过程中同时 考虑了各层材料随温度变化的物理和力学性能． 收稿日期：2006—0