30Cr2Ni4MoV钢低压转子淬火过程组织演变数值模拟及实验研究

利用数值模拟方法,对直径1890mm的30Cr2Ni4MoV高纯净钢核电低压转子淬火过程和组织分布进行了分析。选取典型点,采用模拟热处理炉对典型点连续冷却得到淬火组织,并与模拟组织进行对比,验证数值模拟分析的准确性。结果表明,淬火模拟组织基本为贝氏体,靠近表面存在厚度约125mm的贝氏体与马氏体混合组织。淬火实际组织距中心900mm处为贝氏体+50%马氏体,从心部到700mm范围以贝氏体为主。     

铸钢件淬火过程数值模拟及组织性能预测

本文介绍了铸钢件淬火冷却过程中的三维温度场数学模型和梅尼尔组织性能预测模型。采用有限差分法对ZG45起重机制动轮淬火过程进行数值模拟,计算出淬火过程中的温度场变化及各部位在700℃的临界冷却速度,快速预测了ZG45起重机制动轮淬火冷却之后的组织性能分布。结果表明,工件表面淬火冷却速度最快,几乎全部形成马氏体组织,中间厚大部位冷却速度较慢,只有少量马氏体组织,却有大量贝氏体组织。淬火冷却后,工件各部位没有获得铁素体-珠光体组织。从表面到中间厚大部位,工件硬度逐渐增大。     

高强度舰船用钢的连续冷却转变规律研究

采用高温淬火相变仪、Gleeble 3500热模拟试验机和SEM等手段,研究了试验用高强度舰船用钢连续冷却过程中的组织转变规律。结果表明,试验钢的静态CCT曲线和动态CCT曲线均由铁素体加贝氏体、贝氏体、贝氏体+马氏体和马氏体四个区域组成。静态热模拟组织中冷却速度达到5℃/s时奥氏体才全部转变成贝氏体,而动态热模拟组织中冷却速度为3℃/s时奥氏体就已全部转变成贝氏体组织,且贝氏体组织相对细小。当冷却速度达到20℃/s时,静态和动态热模拟组织中都是完全马氏体组织,形貌均呈板条状,动态热模拟试样的马氏体板条更细小、密集。无论是静态热模拟组织还是动态热模拟组织,硬度都随冷却速度的提高,逐渐升高,但动态热模拟试样的硬度比静态高3~6 HRC。     

高强钢汽车转向节淬火组织转变

为模拟高强钢转向节淬火后的微观组织和硬度分布,使用Jmatpro软件计算了42CrMo钢的热物性参数和等温转变曲线,获得了42CrMo钢的珠光体、贝氏体、马氏体转变动力学模型参数。基于Comsol软件建立了42CrMo钢淬火过程的传热、相变多场耦合有限元分析模型,模拟了转向节在PAG(聚烷撑乙二醇水溶液)中淬火冷却的过程,获得了温度、微观组织和硬度分布。分析了锻件杆部淬火后的硬度和显微组织,并与模拟结果进行对比。模拟结果表明：锻件杆部表面主要为82.1%的马氏体和17.9%的贝氏体,硬度为31.9 HRC,心部主要为15.9%的马氏体、72.5%的贝氏体、9.1%的铁素体和2.5%的珠光体,硬度为26.8 HRC。试验测得的锻件表面硬度最高为32.0 HRC,心部硬度最低为26.4 HRC,表面的组织为短板条状马氏体和部分粒状下贝氏体,心部为针状马氏体、羽毛状上贝氏体和铁素体,模拟结果与试验结果基本吻合,表明建立的多场耦合有限元分析模型能准确预测高强钢转向节锻件淬火微观组织和硬度分布。     

Nb-V复合微合金化低合金钢连续冷却转变规律

通过Nb-V复合微合金化钢奥氏体连续冷却过程的热模拟试验,结合显微组织观察和显微硬度测试,综合分析了冷却速度对实验钢相变及组织的影响.结果表明,Nb-V复合微合金化低合金钢的临界淬火速度约为23℃/s;随着冷却速度的增大,相变开始温度和结束温度均有所下降,在低冷速区间会出现魏氏组织,在高冷速区间出现马氏体和贝氏体双相组织,晶粒明显细化.     

15Cr11Cu2Si2MoMn钢的成分设计及动力学测定

根据(GB/T 1220-1992)不锈钢标准成分范围,对兼具高强度、高韧性和高耐腐蚀性钢的组织,结合基础理论分析与软件模拟,进行成分设计,预设组织为含Cu无碳化物贝氏体组织.利用DIL-87型淬火膨胀仪对所设计试验钢在不同奥氏体化温度、保温时间和冷却速度等条件下进行膨胀试验,测定其相变动力学参数,结合光学显微镜分析其相变行为并绘制相应的相变动力学曲线.结果 表明:在连续冷却转变过程中,冷却速度为0.1～5℃/s时,试验钢的组织为贝氏体与马氏体,冷却速度小于0.1℃/s时,为珠光体、贝氏体和马氏体;等温转变过程中,当等温温度在Bs(375℃)～Bf(225℃)之间时,转变产物以贝氏体为主,在Ms(307℃)以上为贝氏体,在Ms(307℃)以下为贝氏体和马氏体.从贝氏体转变过程中来看,预设试验钢的贝氏体转变区间宽泛且Bs点较低.     

新型时效硬化塑料模具钢10Ni3Cr2MnMoCuA1的CCT曲线

使用Formaster-FⅡ型膨胀仪测定了新型时效硬化塑料模具钢10Ni3Cr2MnMoCuA1以不同冷却速度连续冷却后的相变膨胀曲线,并结合试验过程中所采集的金相照片和硬度数据,获得了该钢的连续冷却转变(CCT)曲线,研究了冷却速率对相变组织转变规律的影响。结果表明:10Ni3Cr2MnMoCuA1钢的相变主要发生在200~400℃的温度区间;贝氏体组织转变的临界冷却速度为:0.03℃/s,马氏体组织转变的临界冷却速度为:0.8℃/s;冷速为0.03℃/s时,相变组织为贝氏体(B)和少量铁素体(F);冷速为0.15℃/s时,相变组织为贝氏体(B)和马氏体(M)的混合组织;冷速为0.8℃/s时,相变组织为全马氏体组织(M)。     

含Cu低碳钢CCT曲线及马氏体相变原位观察

利用Linseie L78 RITA淬火/相变热膨胀仪,测定了一种含Cu低碳钢的相变点,绘制了连续冷却转变曲线,结合光学显微镜和显微硬度法分析了冷却速率对相变组织演变规律的影响,利用高温激光共聚焦显微镜对马氏体相变过程进行了原位观察。结果表明:冷却速率为0.5~8℃/s时,随冷却速率的增加,铁素体含量减少,粒状贝氏体(GB)逐渐演变为板条贝氏体(LB),硬度逐渐升高;冷却速率大于15℃/s时,组织全部为板条马氏体。原位观察表明马氏体优先在晶界或晶内位错塞积处形核,新生马氏体在先形核马氏体板条间以一定取向形核长大。     

钎具用钢22Si2MnCrNi2MoA连续冷却相变的组织变化

用Gleeble-1500热模拟试验机研究钎具用钢22 Si2M nC rNi2M oA连续冷却相变组织变化规律,包括静态和动态连续冷却相变规律等,分析了合金元素作用、冷却速度和热变形对CCT曲线、相变组织及性能的影响.结果表明:Mn、Cr、Mo、Ni等元素的加入是为了使22Si2MnCrNi2MoA钢可以在较宽的冷却速度范围内得到马氏体+贝氏体为主的复相组织;随着冷却速度的增加,变形促进多边形铁素体形成的能力将得到削弱,而变形促进贝氏体形成的能力将得到加强,且贝氏体的形态发生了变化.热变形促进了铁素体和贝氏体相变,细化了贝氏体板条,变形促使马氏体相变转变开始温度略微降低.     

控制冷却贝氏体／马氏体铸钢组织和性能的研究

用ＳＥＭ、ＴＥＭ对控制冷却获得的贝氏体／马氏体铸钢的组织进行分析,并与等温淬火、油淬试样的组织和性能相比较。结果表明,控制冷却贝氏体／马氏体组织中的贝氏体是典型的下贝氏体形态,马氏体为位错马氏体及少量孪晶马氏体的混合;强韧化方式以细晶强化和弥散强化为主,综合性能优于等温淬火贝氏体／马氏体组织和油淬马氏体组织。     

6CrW2Si钢制镶条淬火过程温度场数值模拟及试验

折弯模镶条淬火冷却时温度的瞬态分布特性对于研究6CrW2Si钢淬后变形机理有重要作用。考虑热物性参数、对流换热等因素随温度变化的影响,推导相变潜热转换为等效比热的定量解析并写入程序,建立了淬火过程三维温度场的非线性瞬态数学模型。通过金相观察、XRD物相分析和显微硬度测试方法对6CrW2Si钢镶条组织成分进行了试验研究。结果表明:表面换热边界条件和热传导两因素在不同时刻对零件的冷却速度交替起主导作用;65 s左右时马氏体转变所释放的潜热使得冷却速度有较大幅度降低,心部较表面所受影响大;冷却过程中镶条横截面的温度场由两表面交接处至心部呈梯度分布;零件只发生马氏体转变,且被淬透,最终得到的组织为马氏体+残留奥氏体+碳化物。     

H13钢相变规律及其模具的真空热处理数值模拟

以H13钢热作模具真空淬火热处理组织演化预测数值模拟为目的,采用DIL805L热膨胀仪对H13热作模具钢进行连续冷却相变试验,结合显微组织和硬度绘制H13钢的连续冷却转变曲线(CCT曲线)。研究了不同冷速对试样显微组织和硬度的影响,对Koistinen-Marburger方程中相变因子进行拟合,研究了H13钢的相变规律。结果表明,马氏体转变的临界冷速为1 ℃/s,Ms点为335 ℃,随着冷速增大,试样硬度直至增大到660 HV。将拟合后的马氏体相变方程通过二次开发手段导入有限元软件中开展数值模拟计算,计算结果显示H13钢模具不同取样点处马氏体体积分数为90%,可认为真空气淬后H13钢模具的组织为马氏体和残留奥氏体。     

大直径锻造耐磨钢球的热处理工艺

采用二次加热淬火和低温回火工艺改善ø120 mm锻造耐磨钢球的使用性能,研究了二次加热淬火工艺中不同升温速率和淬火冷却时间对钢球硬度分布、冲击性能和显微组织的影响。得出钢球的最佳热处理工艺为:以2.8 ℃/min的速率升温至840 ℃并保温1 h,出炉空冷至800 ℃后淬入35 ℃水中冷却 350~400 s,然后出水空冷至80 ℃以下并在200 ℃回火4 h,炉冷至80 ℃以下出炉空冷。此工艺下耐磨钢球表面至心部硬度均在58~60 HRC范围内,且球心处室温无缺口冲击吸收能量≥15 J,单颗落球次数大于5000次,证明此工艺方法可提高大直径锻造耐磨钢球的质量和寿命。     

U76CrRE钢轨热处理过程组织控制及性能

通过对U76CrRE钢轨热处理时的冷却工艺进行优化,消除了钢轨脱碳层中的异常上贝氏体组织。对异常组织产生的原因进行了分析,提出了U76CrRE钢轨的最佳热处理工艺。在分段冷却过程中,U76CrRE钢轨的强冷介入温度在568 ℃。钢轨内部相变潜热与表面急冷层容易在钢轨脱碳层内形成等温层,是异常上贝氏体组织产生的温度条件;同时,钢轨近表面晶界处严重脱碳为上贝氏体组织形成提供了化学成分条件。U76CrRE钢轨的最佳热处理工艺为淬火开冷温度780 ℃,淬火时间120 s(20 s+100 s),淬火终冷温度控制在410 ℃,返温温度控制在540 ℃。     

Using simulation for heat treatment process design: matching quenching process with steel grade and product geometry

Abstract

The performance of steel parts is heavily dependent on the heat treatment process applied. The alloy content of the steel establishes the steel hardenability. The severity of the quenching establishes the local temperature history throughout the body of the part. In combination, the steel hardenability and the quenching process determine the final microstructure, mechanical properties, residual stress state and the performance of the part. The residual stress state, especially the surface stress state, is a significant factor in affecting fatigue life of the part. The steel hardenability and quenching practice can be adjusted to enhance residual surface compression and improve the fatigue life of a component. Computer simulation of the heat treatment process that includes calculation of the metallurgical phase transformations during the heating and cooling processes offers a method for scientifically designing the heat treatment process and selecting the steel alloy to optimise the performance of a particular product. In this paper, the DANTE heat treatment simulation software will be used to demonstrate this design methodology for a spur gear.     

淬火冷却工艺对F460钢调质厚板组织与性能的影响

对120 mm厚的F460钢调质厚板采用相同的淬火回火温度,不同的淬火冷却速度处理,之后对钢板进行组织与性能对比,寻找该钢种的最佳热处理工艺。采用2 ℃/s冷速进行冷却的钢板,回火后强度最高,但是冲击性能不佳;适当降低淬火冷却速度后,钢板回火后强度有一定下降,但是冲击性能得到明显提升;继续降低淬火冷却速度,钢板回火后强度进一步下降,但是冲击性能提升有限。经组织分析,2 ℃/s冷速进行冷却淬火时,钢板回火后的组织为铁素体+贝氏体组织,组织中主要是贝氏体;冷却速度降低以后,钢板回火后组织为铁素体+退化珠光体组织,铁素体含量的增加,有利于钢板韧性的提升,残留奥氏体回火后形成的珠光体组织比较细小,能有效保证钢板的强度。通过对钢板的连续冷却转变曲线进行分析,钢板在冷却过程中先开始进行铁素体相变,溶质元素向奥氏体迁移。在钢板冷速较快时,铁素体中的碳化物迁移较少,奥氏体低温时转变成马氏体或者贝氏体;在钢板冷速较慢时,碳化物迁移到奥氏体内,提高奥氏体稳定性并保留到室温,形成残留奥氏体。残留奥氏体在后续的高温回火过程中,转变成珠光体。块状转变形成的铁素体组织与回火过程中形成的细小珠光体有利于钢板的强韧性匹配。     

大长径比薄壁壳体零件真空气淬畸变行为的数值模拟

建立了30Cr3SiNiMoVA钢大长径比薄壁壳体零件的金属-热-力耦合有限元数值分析模型,通过反传热计算获得了壳体不同位置表面综合换热系数曲线,研究了真空气淬过程中薄壁壳体零件的温度场和组织场的演变规律,并对其畸变行为进行了详细分析。研究表明:同一换热面上的冷速大小为薄壁部位>顶部>台阶部位,且阳面的温度变化更为剧烈;应力演变曲线均出现两个峰值,第一个峰值是由温度差异导致的热应力引起的,第二个峰值是由马氏体转变产生的组织应力引起的;淬火之后,阳面高度增加了2.08 mm,增加幅度为0.082%,阴面高度增加了2.33 mm,增加幅度为0.092%,薄壁位置处外径增加了0.81 mm,增加幅度为0.270%,台阶位置处外径增加了0.57 mm, 增加幅度为0.186%。实测结果与模拟结果相符,误差小于10%。     

OD1422 mm的X80级管线钢SH-CCT曲线测定与分析

采用Gleeble3500热-力学模拟试验机,对外径为φ1422 mm的X80管线钢焊接热影响区(HAZ)在不同冷却速度下的热循环过程进行了模拟,利用热膨胀法绘制模拟焊接热影响区连续冷却组织转变曲线(SH-CCT);结合光学显微组织和硬度测试等分析手段,研究了φ1422 mm的X80管线钢在不同冷却速度条件下焊接热影响区的组织变化规律。结果表明,冷却速度对X80管线钢的相变行为和微观结构具有显著影响。当冷却速度为1 ℃/s时,组织转变为贝氏体;当冷却速度达到7 ℃/s时,开始产生马氏体组织;当冷却速度为20 ℃/s时,组织内较高位错密度的板条贝氏体较多,组织晶粒较小。当冷却速度在7~20 ℃/s之间时,X80管线钢热影响区的显微硬度和冲击性能都大于母材。     

基于模拟的热处理工艺设计:使淬火工艺与钢种和产品几何形状相匹配

钢铁零件的性能主要决定于所采用的热处理工艺。钢的淬透性决定于合金元素含量,而淬火烈度确定了整个零件中不同部位的温度随时间变化过程。总的来说,零件最终的组织、力学性能、残余应力状态和服役性能均取决于钢的淬透性和淬火工艺。残余应力状态,特别是表面应力状态,是影响零件疲劳寿命的重要因素,可通过控制钢的淬透性和淬火工艺来提高零件的表面压应力,从而提高疲劳寿命。热处理工艺的计算机模拟,包括加热和冷却过程中的相变的计算,提供了一种科学地进行热处理工艺设计、钢种选择以优化某一特定产品性能的方法。本文采用热处理模拟软件DANTE来论证这种设计方法在正齿轮上的应用。     

基于H13钢水淬在线监测的热处理数值模拟优化

为准确预测厚度较厚的H13钢热处理过程中的温度场和淬火残余应力,对规格为φ300 mm×350mm的H13钢工件进行淬火实时温度监测,分别设置了位于芯部、亚表面(离外表面10 mm)、1/3R(离圆心50 mm)和2/3R(离圆心100 mm)处的监测点。考虑钢/水对流换热系数受沸腾条件和热辐射的影响,对对流换热系数h进行了优化。结果表明各个温度监测点的试验结果与计算结果相符,证明经过优化后的对流换热系数可应用于大截面尺寸工件温度场的预测。模拟工件淬火后的应力场并结合显微组织观察发现,淬火在750 s前后出现芯部、表面最大的拉压峰值应力差,证明大尺寸工件淬火存在淬火危险期。