多层、有相变钢铁件冷却过程应力场的数值模拟研究.pdf

多层、有相变钢铁件冷却过程应力场的数值模拟 杨庆祥刘利刚蔡大勇 张运坤赵希庆李强 (亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，燕山大学材料科学与工程学院，秦 皇岛，066004) 钢铁』：件从高温冷却下来时，由于温度变化造成热应力和组织转变(特别是马氏体相 变)引起组织应力。形成复杂的内廊力场，会使。T：1：，I：产生体积和形状变形；冷到室温后形 成的残余拉应力，还会使j【件的疲劳性能恶化；使：J二件尺寸不稳定，并造成的(中高碳钢) 工件的延迟断裂。 而实际：。f：件还往往存在“多层”结构，使冷却内虑力和残余应力场的形成更为复杂。“多 层”可以从宏观上来理解，例如离心铸造轧辊，在模子中注入高铬铸铁，然后注入球墨铸 铁；也可以从“细观”上来理解，例如不完全淬透(如40Cr钢)、表面形成硬化层的工件， 以及渗碳(如20CrMnTi钢)造成含碳量梯度后淬火的工件等。 建立具有多层结构并有复杂相变的钢铁工件，其在冷却过程中内应力场及冷却后残余 应力场的形成模型，并在此基础上，系统研究冷却速度、材料成分、Ms点、几何尺寸等 因素的影响；建立内应力场及残余庇力场形成规律的定奄理论，实现其优化控制：这在理 论上有较大难度，在实际上有重要意义，已在国内外得到J。泛的重视。 本文以40Cr钢为研究对象，采用X射线应力分析仪测量了试样淬火后的残余奥氏体 含量及残余虑力场沿层深的分布；同时对试样的截面组织进行了观察，其表面为马氏体、． 心部为珠光体和铁索体，弗测量了截面沿径向的维氏硬度分布，为模型的建立提供了实验 依据：然后，采用热模拟机测量了试样的CCT曲线，并进行压缩实验，测量了不同冷却 温度下珠光体和马氏体的屈服强度和线膨胀系数，为模拟提供了实验参数。 采用ANSYS软件对试样淬火后残余应力场进行了模拟，并将残余应力的测量结果与 冷却进行到200s时模拟结果进行了比较，二者吻合，证明了本文所建模型是有效的。因 此，冷却进行到200s时的应力场可以视为残余应力，此时试样表面受压，心部受拉。 在此基础上，对试样淬火冷却过程中的温度场和应力场进行了模拟。并结合温度场、 应力场、组织场三者耦合的关系对模拟结果详细分析，分析结果表明，由丁-试样表面冷速 ．3I． 较快，发生马氏体相变，产生相变应力，同时受心部和表面温差的作用产生热应力。二者 的综合作用结果使应力场的分布为：在冷却初期．表面在轴向和切向受拉应力，随着冷却 时间的延长，拉应力逐渐降低并转变为压应力：心部应力分布与表面相反，轴向和切向应 力先压后拉，并且随着时间的延长，拉应力先增加，然后逐渐减小。 关键词数值模拟；温度场：应力场；马氏体相变 Geometry of 40Cr Elementdistributionofsimulation Fig．1 configurationspeci嗣aen Fig．2 modeI ·Measuredstress ’—Calculatedstress 一面山=v ‘ ，‘广‘一j ·。／f 小 访昕∞-p协∞Il州-∞mt{∽ 0 Distancefromthe surface(舢) ．32一 betweencalculatedand