大型鍛件淬火組織場數值模擬

王浩強 張文輝 于海濤 趙德利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

大型鍛件淬火組織場數值模擬

王浩強 張文輝 于海濤 趙德利

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

運用APDL(ANSYS參數化設計語言)語言對ANSYS進行二次開發，使其在模擬溫度場的基礎上可以進一步計算組織分布。為驗證算法，選取一種貝氏體鋼淬火，設定冷速為1℃/min、5℃/min、20℃/min、300℃/min勻速冷卻，分別模擬計算組織百分數和制備試樣觀察相應冷速下的金相組織。結果表明模擬計算的結果和觀測的金相組織吻合的比較好。最后采用本程序計算?1.5 m大型鍛件淬火過程的溫度場和組織分布，結果顯示這種貝氏體鋼水冷卻8 h后心部溫度小于200℃，冷卻結束后心部得到大于90%的貝氏體組織。

數值模擬;組織場;大型鍛件

大型鍛件的熱處理過程比較復雜。加熱和冷卻時，其表面和心部的溫度場與組織分布有較大的差別。工程應用中，在某些情況下，需要知道淬火后顯微組織沿截面的分布，通過破壞性實驗方法來確定這種分布有很大難度，甚至是行不通的。這時，采用計算機模擬來確定顯微組織沿截面的分布，就有重要的實際意義。

大型有限元軟件ANSYS在工程上有廣泛的應用，同時自帶的APDL語言也使其二次開發能力很強。但ANSYS沒有相變和組織場演化模塊，使其在處理材料熱處理問題上有一定的局限性。

本文運用APDL語言對ANSYS進行二次開發，計算一種貝氏體鋼在不同冷速下的組織，同時選取4個特殊冷速制備試樣進行金相觀察。并結合工程應用，計算?1.5 m大型鍛件的淬火溫度分布及沿截面的組織分布。

1 組織場轉變數學模型

淬火冷卻過程的組織場模擬要根據各個部位的溫度-時間曲線和相變類型選定組織轉變數學模型進行計算［1］。淬火過程的組織轉變主要涉及擴散型相變(珠光體+鐵素體、貝氏體轉變)和非擴散型相變(馬氏體轉變)。

對于擴散型相變，通常采用JMAK方程來描述轉變量-時間的關系，其表達式為:

式(1)中，V為轉變量，t為等溫時間，b和n為常數，其值可由TTT曲線圖得到。表征形核、長大速度隨鋼的成分、奧氏體化溫度而異。

對于馬氏體這種非擴散型轉變，轉變量僅決定于溫度，而與時間無關，可采用KM方程計算轉變量，表達式為:

式(2)中，V為轉變量，M s為馬氏體點，T為溫度，α為常數，反映馬氏體的轉變速率，多數鋼為0.011。

由于實際淬火是連續的冷卻過程。計算時需用Scheil疊加法則將時間離散化，把連續冷卻轉變為階梯冷卻，對每個離散時間段的階梯平臺可按等溫考慮。根據等溫轉變過程的孕育期推算連續冷卻時的轉變開始溫度，將每一溫度下所消耗的時間Δti除以該溫度的孕育期τTi，作為孕育率。不同溫度下的孕育率可以疊加，當總量達到1時，即

孕育結束轉變開始。同樣，在轉變過程中轉變量也可以疊加［2、3］。

結合上述模型和鍛件淬火過程的組織轉變規律，設計了模擬組織轉變流程圖，見圖1。

圖1 淬火冷卻過程模擬組織轉變流程圖Figure 1 Flowchart of simulatingmicrostructure transformation during quench process

2 數值模擬過程及結果

根據流程圖，由材料的TTT曲線數據和鍛件相應節點的冷速就可以計算淬火過程的組織轉變［2］。

本文的材料模型選用一種貝氏體鋼，其TTT曲線見圖2。在曲線上讀取相應點的溫度和時間數據，通過插值和擬合的方法將曲線參數化［4］。冷卻速率選擇890℃奧氏體化后，從1℃/min到300℃/min勻速冷卻到室溫，計算其組織體積分數。采用的冷速和計算結果見表1。

表1 不同冷速下組織中各相的百分含量Table 1 Various phase percent content at different cooling rates

可以看出表1中包含幾個具有典型意義的冷速，即冷速為1℃/min時，組織中含有鐵素體+珠光體相，含量約20%，其余貝氏體含量為79%。冷速增加到5℃/min時，組織中鐵素體+珠光體相消失，貝氏體相含量達到99%。冷速提高到20℃/min時，出現相當數量的馬氏體組織，其含量為21%。而冷速提高到300℃/min時，馬氏體含量高達86%，且殘余奧氏體也達到7%。

為驗證程序算法的準確性，本文設計制取?3 mm×10 mm的試樣，在淬火相變儀上按固定冷速1℃ /min、5℃ /min、20℃ /min、300℃ /min 冷卻，觀察不同冷速下得到的金相組織［5］。金相圖片見圖3?？梢钥闯?個典型冷速的模擬計算結果與實驗觀測結果吻合的比較好。

3 工程計算實例

本文在上述計算的基礎上，進一步模擬計算直徑為1.5 m，長度為2 m的大型鍛件，在890℃奧氏體化后水冷淬火的熱處理過程。計算模型見圖4，網格劃分時，考慮到表面溫度和組織變化劇烈，增加表層網格密度［6］。模擬計算的結果見圖5和圖6。

圖5 為鍛件心部、0.5R、0.9R(近表面)和表面的溫度隨時間的變化曲線?？梢钥闯霰砻鏈囟认陆岛芸?，心部在淬火8 h后溫度低于200℃。

圖3 4個典型冷速下的金相組織Figure 3 Metallographic structure of 4 typical cooling rates

圖4 鍛件尺寸及網格劃分(1/4截面)Figure 4 Dimensions of forge and itsmeshing(1/4 section)

圖5 鍛件不同壁厚處的冷卻曲線Figure 5 Cooling curve accroding to wall thicknesses of heavy forging

圖6 組織體積分數沿徑向分布情況Figure 6 Microstructure volume fraction distribution along radial direction

圖6表明淬火結束時各相體積分數沿徑向分布情況。表層馬氏體含量較高，隨著向心部延伸，馬氏體含量迅速降低，貝氏體含量增加。距離表層大于0.075 m后，整個鍛件貝氏體含量大于90%。距離心部500 mm開始，出現少量珠光體+鐵素體組織，但是其含量低于10%。計算結果表明，這種貝氏體鋼水冷淬火可以保證心部得到大于90%的貝氏體組織，保證沿截面性能的穩定性。

4 結論

(1)鍛件奧氏體化后，按固定冷速1℃/min、5℃ /min、20℃ /min、300℃ /min 勻速冷卻，模擬計算的組織與實測金相組織吻合的比較好。證明本算法的準確性較好。

(2)模擬選用的貝氏體鋼制備?1.5 m的大型鍛件，自890℃奧氏體化后，水冷淬火約8 h后心部溫度可低于200℃，且淬火后可以保證心部得到大于90%的貝氏體組織。

［1］劉莊.熱處理過程的數值模擬［M］.北京:科學出版社，1996:64－70.

［2］劉強，石偉.大型鍛件水空交替淬火過程的數值模擬［J］.大型鑄鍛件，2009(4):5－9.

［3］葉建松，李勇軍，等.大型支承輥熱處理過程的數值模擬［J］.機械工程材料，2002(6):12 －15.

［4］潘建生，胡明娟，等.45鋼淬火三維瞬態溫度場與相變的計算機模擬［J］.熱加工工藝，1998(1):9－12.

［5］杜鳳山，張芳，等.大型鍛件噴霧冷卻過程數值模擬［J］.金屬熱處理，2008(5):35－38.

［6］孔祥謙.有限元法在傳熱學中的應用［M］.北京:科學出版社，1998:1－97.

編輯 李韋螢

Numerical Simulation of Microstructure Field During Quenching Process for Heavy Forging

Wang Haoqiang，Zhang W enhui，Yu Haitao，Zhao Deli

The ANSYS platform with its APDL program is used to simulate temperature filed and microstructure distribution.For checking the arithmetic，it can be selected a bainitic steel and set its cooling rate at 1℃ /min，5℃ /min，20℃ /min，300℃ /min during quenching process，and calculated itsmicrostructure ratio and made specimens to observe themetallography at corresponding cooling rate.The results show the simulating data conform to themetallographic structure.Finally，the program is used to calculate temperature filed and microstructure distribution during quenching process of?1.5m heavy forging，and the result show the temperature is lower than 200℃ after 8h and containmore than 90%bainite at the center point of forging.

numerical simulation;microstructure field;heavy forging

O242.1;TG156.34

B

2012—03—20

王浩強(1984—)，男，助理工程師，碩士，主要從事大型鍛件熱處理工藝及數值模擬研究。