22CrMo钢渗碳淬火过程组织与应力变化的数值模拟
淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究
淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究近年来，材料领域的发展日新月异，为了提高材料的力学性能和耐磨性，淬火是一种常用的热处理方法。
淬火过程中，材料的微观组织发生了显著变化，直接影响材料的性能。
然而，由于淬火过程复杂且难以直接观测，数值模拟成为研究材料淬火过程中微观组织演变的重要手段。
淬火过程中材料的微观组织演变涉及多个因素，包括温度变化、相变行为、位错运动等。
通过数值模拟可以模拟这些因素的相互作用，预测淬火过程中材料的组织演变行为。
首先，温度变化是淬火过程中最重要的因素之一。
当材料被快速加热至高温后，温度会突然下降。
他发的过程中，高温下的晶格结构发生剧烈变化，产生大量位错和界面。
数值模拟可以通过模拟材料的热传导和相变行为，预测淬火过程中温度变化对材料微观组织的影响。
其次，相变行为是淬火过程中的关键因素之一。
在淬火过程中，材料经历了相变，从高温下的奥氏体结构转变为低温下的马氏体结构。
通过数值模拟，可以模拟材料的相变动力学行为，预测不同温度、冷却速率下材料相变的规律。
这有助于优化淬火工艺参数，改善材料的性能。
最后，位错运动是淬火过程中的另一个重要因素。
位错是材料中的晶格缺陷，能够影响材料的塑性变形和力学性能。
淬火过程中，快速冷却会导致位错的累积和运动，进而影响材料的微观组织和力学性能。
数值模拟可以模拟位错的生成和运动，并预测淬火过程中材料中位错的分布和密度变化。
通过数值模拟材料淬火过程中的微观组织演变，可以不仅预测材料的力学性能，还可以为淬火工艺的优化提供指导。
此外，数值模拟还可以减少试验成本和时间，提高研发效率。
因此，淬火过程中材料微观组织演变的数值模拟研究具有重要的理论和实际意义。
在数值模拟研究中，研究者通常采用离散模型和连续模型两种方法。
离散模型基于原子尺度的模拟，将材料中的原子作为基本单元，考虑原子间的相互作用力。
通过分子动力学方法，可以模拟材料的位错运动和相变行为。
然而，由于离散模型的计算复杂度较高，只能模拟相对小尺度的材料。
用数值模拟方法研究气体渗碳强渗期与扩散期的合理选择_阮冬
组织与性能 用数值模拟方法研究气体渗碳强渗期与扩散期的合理选择 上海交通大学材料科学与工程学院(上海200030) 阮 冬 潘健生 张伟民 胡明娟【摘要】 利用气体渗碳的物质传递数学模型和气体渗碳CAD软件进行了两段渗碳工艺的数值模拟计算,对两段渗碳工艺强渗期和扩散期选择的自适应原则提出了疑问,证明了其不合理性。
发现S1与S2之比是随着渗碳工艺条件和渗层深度而变化的。
最终碳浓度分布曲线上碳平台的长度与渗层深度有关,可以此为判据,计算由强渗期转入扩散期的最佳时间,制定两段渗碳工艺,得到满意的渗碳层浓度分布。
相应的试验证明了其合理性。
关键词:两段渗碳 强渗期 扩散期R esearch of R easonable Selection of C arburizing Stage and Diff usionStage During G as C arburizing Process by Using Numerical SimulationRuan Dong,Pan Jiansheng,Zhang Weimin,Hu Mingjuan(School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030)【Abstract】 The two2stage carburizing technology has been simulated by using the mathematical model and CAD software of mass transfer for gas carburizing.The self2adaptation principle which has been employed in the selection of carburizing stage and diffusion stage during a two2stage carburizing process has been suspected and it’s unreasonability has been approved.It has been found out that the ratio of S1to S2changes with the process conditions and the depth of carburizing layer.There is a relationship between the platform on the final carbon profile and the depth of carburizing layer,according to that the best time to transfer from carburizing period to diffu2 sion period can be calculated and the two2stage carburizing process can be determined to get the satisfied carbon profile.Relevant experi2 ments have been done to approv it′s reasonability.K ey w ords:two2stage carburizing,carburizing stage,diffusion stage1 前言从冶金学观点来看,渗碳件中的碳浓度呈现在表面层具有碳平台的“S”形分布是比较好的,可以避免渗碳件因渗层中过陡的浓度梯度而造成的早期失效。
热处理过程中应力场变化的数值模拟分析
热处理过程中应力场变化的数值模拟分析在热处理工艺中，应力场的变化对于材料的性能和可靠性具有重要影响。
因此，通过数值模拟分析热处理过程中应力场的变化，可以帮助工程师更好地理解材料的力学行为和优化工艺参数。
本文将对热处理过程中应力场变化的数值模拟分析进行详细探讨。
首先，我们需要了解热处理过程中应力的产生机理。
热处理是通过对材料升温至临界温度，然后进行保温和冷却，改变其晶体结构和力学性能的方法。
由于温度的变化会导致材料的体积变化，从而产生应力。
应力可以分为两种，一种是热应力，由于温度梯度引起的；另一种是相变应力，由于凝固和析出反应引起的。
数值模拟分析是研究热处理过程中应力场变化的重要方法之一。
主要通过计算机建模和有限元分析，对材料内部温度和应变进行数值计算，从而获得应力场的分布。
下面，我们将从模拟建模、边界条件和结果分析等方面进行详细阐述。
首先是模拟建模。
在进行数值模拟前，我们需要对待模拟的材料进行准确的几何形状和材料参数的建模。
传统的建模方法有三种，分别是二维轴对称模型、二维平面模型和三维实体模型。
根据具体工艺要求和材料特性，选择合适的建模方法。
对于复杂的热处理过程，三维实体模型可以更准确地反映材料内部的应力和应变变化。
其次是边界条件。
边界条件的设置直接影响数值模拟的准确性和可靠性。
在热处理过程中，一般会涉及到传热和传质的边界条件。
传热边界条件可以分为对流边界和辐射边界两种。
对流边界一般根据材料和环境之间的传热系数和温度差设置；辐射边界一般根据材料的发射率和温度来确定。
传质边界条件主要涉及材料表面的冷却速率和冷却剂的介质性质。
合理设置边界条件可以更准确地模拟材料内部的温度变化，从而得到更准确的应力场分布。
最后是结果分析。
通过数值模拟得到的结果，我们可以对热处理过程中应力场的变化进行分析和评估。
一般可从以下几个方面进行结果分析。
首先，可以通过计算不同位置和时间的应力场分布，分析材料内部的应力集中区域和变化趋势。
渗碳数值模拟
以碳浓度0.38%为界，低于此浓度区域为低浓度区，高于此浓度区域为高浓度区，而碳浓度等于0.38%的深度称为渗碳深度，以 表示。下面研究渗碳一定时间后其渗碳深度与温度的关系。
令
得
其中
又
得
下图绘出了等离子渗碳12h后其渗碳深度与加热温度的关系曲线:
观察该曲线可知，当温度低于600℃时，其渗碳深度几乎为零，而当温度高于600℃并继续上升时其渗碳深度急剧增大。这再一次表明等离子渗碳必须在较高温度下进行。
渗碳模拟报告
摘要
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程，也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性的一种金属表面处理方法。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
1.1
基本假设：i.一维问题ii.表面扩散
扩散方程：
初始条件：
边界条件：
1.2
为了便于求解，假定扩散系数与浓度无关，仅是温度的函数，则温度不变情况下扩散方程改写如下：
其中，
解得等离子渗碳20#钢表面碳浓度表达式如下：
1.3
20#钢渗碳扩散系数公式如下：
绘出其与温度的关系曲线如下：
观察该曲线可知，当温度低于600℃时其扩散系数几乎为零，而温度超过600℃并继续上升时其扩散系数呈指数型增长。这表明20#钢渗碳应在至少800℃的高温下才能进行。
22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺
工程硕士学位论文22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺研究及其应用STUDY ON PREHEAT-TREATMENT AND CARBURIZING PROCESSES OF 22CrMoH STEEL AND ITS APPLYCATION管金玲2012年3月国内图书分类号：TG142.1国际图书分类号：620工程硕士学位论文22CrMoH钢预先热处理与渗碳工艺研究及其应用硕士研究生：管金玲导师：闫牧夫教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：哈尔滨一汽变速箱股份有限公司答辩日期：2012年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TG142.1U.D.C.: 620Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTUDY ON PREHEAT-TREATMENT AND CARBURIZING PROCESSES OF 22CrMoH STEELAND ITS APPLYCATIONCandidate：Guan jinlingSupervisor：Prof.Yan MufuAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials ScienceAffiliation：Harbin Faw Gear Box Co.,Ltd Date of Defence：March, 2012Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要本文研究了主要用于后桥主从动圆锥齿轮的22CrMoH材料的热处理工艺，包括预先热处理和最终热处理两部分。
预先热处理采用等温正火，研究了奥氏体化温度和等温温度对组织和性能的影响；还研究了渗碳热处理时不同工艺参数对渗碳层显微组织和硬度的影响，优化了热处理工艺参数，并通过变性试验，磨削试验和疲劳寿命试验，验证优化的工艺参数的可靠性。
不同淬火方式对渗碳钢表面残余应力及组织的影响
不同淬火方式对渗碳钢表面残余应力及组织的影响发布时间：2023-03-21T01:30:13.684Z 来源：《中国科技信息》2022年21期作者：李海宏1 张宇慧1周锴1 宋玉生2 [导读] 采用X射线衍射分析仪李海宏1 张宇慧1周锴1 宋玉生2中国航发哈尔滨东安发动机有限公司1 ，黑龙江哈尔滨 150066 哈尔滨东安实业发展有限公司2，黑龙江哈尔滨 150066摘要：采用X射线衍射分析仪，对进口和国产9310钢渗碳后在不同温度介质中淬火后的渗层残余应力、显微硬度以及组织进行分析。
结果表明渗碳层残余应力均表现为压应力形式，近渗碳表面处残余应力较大且随着渗层深度增加，压应力值先增加后逐渐减小。
关键词：X射线残余应力 9310钢渗碳疲劳寿命1 前言1.1 研究背景9310 钢属于低合金高强度渗碳钢，具有渗碳温度高，渗碳层淬硬性好，淬火后表面硬度高等优点。
对9310钢进行渗碳热处理可使该钢获得硬度高、耐磨性好的表面，同时又保持芯部具有较高的韧性，从而提高齿轮的承载能力和齿面的抗擦伤与咬接性能。
因此，9310钢成为国内外主流飞机普遍采用的渗碳钢，已广泛应用于制造航空发动机关键齿轮、齿轮轴和主旋翼轴等。
在航空齿轮产品中，9310钢是选用较多的成熟齿轮钢，该钢多用在齿轮及轴类零件上，热处理工艺多为渗碳处理。
渗碳处理是把低碳钢或低碳合金钢制件置于渗碳介质中，加热到奥氏体状态并保温，使碳元素渗入制件表层的热处理工艺。
渗碳后再经淬火和低温回火处理，使制件表面具有高碳钢的特性，其表层的硬度、强度，特别是耐磨性和抗疲劳强度明显提高，而心部则仍保持低碳钢或临界区淬火强度和良好的韧性。
目前，常用的渗碳方法有气体渗碳、真空渗碳、固体渗碳和等离子渗碳。
气体渗碳是渗剂通入到炉内产生分解的碳原子被工件吸附、扩散的过程，该过程是通过气氛与工件之间近于平衡的水煤气反应而实现的[1]。
凌国平[2]等人采用快速气体渗碳工艺对12CrNi3A进行了渗碳处理，研究发现与传统气体渗碳工艺相比，工件的硬度降低、形变减小。
大型锻件淬火组织场数值模拟
大 型锻件 的热 处理 过程 比较 复 杂 。加 热 和冷
的温 度 一 间 曲线 和相 变 类 型 选定 组 织 转 变 数学 时 模 型进 行计 算 … 。淬 火 过 程 的 组 织 转 变 主 要 涉
及 扩散 型相 变 （ 光体 ＋ 素体 、 氏体转 变 ） 珠 铁 贝 和 非 扩散 型相 变 （ 氏体转 变 ） 马 。
对于 马 氏体 这 种 非扩 散 型转 变 ， 变 量 仅决 转 定于 温度 ， 而与 时 间无 关 ， 可采用 Ｋ 方 程计 算 转 Ｍ 变量 ， 表达 式为 ：
选取 ４个 特 殊冷速 制 备试样 进行 金相 观察 。并 结 合 工程 应 用 ， 算 （ １５ｉ 型 锻 件 的 淬火 温 度 计 ２ ． ｊ ｎ大 分 布及 沿截 面 的组 织 分布 。
力 很强 。但 Ａ Ｓ Ｓ没有 相变 和组 织场 演 化模 块 ， ＮＹ 使 其在 处理 材料 热处 理 问题 上 有一定 的局 限性 。 本 文运 用 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ语 言 对 Ａ Ｓ Ｓ进 行 二 次 开 ＮＹ 发， 计算 一种 贝氏体 钢在 不 同冷 速 下 的组 织 ， 同时
对 于扩散 型 相 变 ， 常 采 用 Ｊ Ａ 通 Ｍ Ｋ方 程 来 描
ｍ ×１ 的试 样 ， 淬火 相变仪 上按 固定冷 速 ｍ ０ｍｍ 在 １ ／ ｉ 、ｏ ／ ｉ 、０Ｃ ｍｉ、０ ｃ ／ ｉ 却 ， ｍ ｎ ５Ｃ ｍ ｎ ２ ｏ／ ｎ ３ ０ｃ ｍ ｎ冷 ｏ Ｃ 观 察 不 同冷速 下 得 到 的金 相 组 织 Ｊ 。金 相 图 片 见 图３ 。可 以看 出 ４个典 型 冷速 的模 拟计 算 结果 与 实验 观测结 果吻合 的 比较好 。 ３ 工程计 算实例 本 文在 上述 计算 的基 础 上 ， 一 步模 拟计 算 进 直径 为 １５ ｍ， 度 为 ２ｍ 的大 型锻 件 ， ８ ０ ． 长 在 ９ ％
22CrMoH钢齿轮渗碳淬火回火后组织粗大的工艺改进
投产。
参考文献
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与预防，2007（2）：
42-44．
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织的影响研究［J］.冶金与材料，
2018（5）：18-20.
保证齿轮产品质量。
关键词：22CrMoH 钢；齿轮；工艺改进
中图分类号：
TG161
文献标识码：A
0
引言
22CrMoH 钢齿轮经过渗碳、淬火、低温回火后的
金相组织出现异常现象。经 4%硝酸酒精腐蚀后，有
许多目视可见的粗亮黑点，黑点处齿轮组织晶粒非常
粗大，大大降低了 22CrMoH 钢齿轮的接触疲劳和弯
少量黑色区域的金相组织
作者简介：左彪（1969—），
男，
江苏泰州人，
工程师，
大专；
研究方向：
材料热处理，
理化分析，
产品失效分析。
- 58 -
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第1期
2019 年 1 月
（a）中量黑色区域
江苏科技信息 · 应用技术
protection performance, with the simple structure and high load regulation, which has better application value.
Key words: switching power supply; over-current protection circuit; protection performance efficiency
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钢铁研究学报第１８卷
图２计算和实测的渗碳层碳浓度分布
Ｆｉ晷２
Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｃａｒｂｏｎｃｏｎｔｅｎｔ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ帅ｉｎ
ｃａｒｂｕｒｉｚｅｄｌａｙｅｒ
过程，取图１中的Ａ、Ｂ、Ｃ３点进行分析，所模拟的３点马氏体生成量随时间变化如图３所示。
由图３所示的计算结果可知，试样内部及心部
比表面渗碳层部分先发生马氏体相变，这是由于渗碳层较高的碳含量大幅度降低了该部分的Ｍ：值。
将本文所选的２２ＣｒＭｏ成分带入公式（９），计算所得
Ｍ。
值为３８５℃，与实测结果一致，这证明对本文所
选的材料，公式（９）是适用的。
根据公式（９）计算得Ｂ、Ｃ点的Ｍ。
值为３８５℃，Ａ点Ｍ。
值约为１８０℃。
并且由图３可以看出，渗碳层部分由于ＭＳ值降低，使该部分的马氏体转变量减少，相应的残余奥氏体含量将增加。
对淬火后试样取表层和心部组织作金
相分析，如图４所示，渗碳层部分淬火后的组织除了黑色针状高碳马氏体外，还含有大量白色的残余奥氏体，经测定表层部分的残余奥氏体含量约为１８％，与计算结果吻合。
心部组织由板条状低碳马氏体组成。
逞籁焱
嘲｛
瞧基妪
田
图３马氏体含量在淬火过程中的变化
Ｆｉｇ．３
Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｖｏｌｕｍｅ
ｆｒａｃｔｉｏｎｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
图５表示了淬火过程轴向应力形成过程，曲线。
表示１２ｓ时刻的应力状态，此时在试样内各点还没有发生马氏体相变，应力分布为表层为拉应力而心部为压应力的热应力状态。
曲线１表示约１６ｓ时刻
的应力状态，此时区域①的温度降至Ｍ。
点，发生相
变体积膨胀，造成该区域的压应力增加，试样心部由压应力转为拉应力状态。
随时间的延长，马氏体相变区域从初始相变区①向表层和心部扩展，曲线２是３０ｓ时刻相变区域扩展至区域②时的应力状态，
这时区域②的两端分别达到Ｍ。
点，试样相变区域
的压应力增大，而心部和表层的拉应力值增大。
相变区域继续向内、外扩展，由于表层部分碳含量较
高，使该部分的Ｍ。
值较低，该部分是试样最后完成
相变的区域，最终的相变膨胀造成表层部分为压应
（ａ）表面；（ｂ）心部
图４
２２ＣｒＭｏ钢渗碳淬火后的组织
Ｆｉ昏４
Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｌ’ｅｓｏｆ
２２ＣｒＭｏｓｔｅｅＩａｆｔｅｒｃａｒｂｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄ
ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ
22CrMo钢渗碳淬火过程组织与应力变化的数值模拟
作者：宋广胜， 刘相华， 王国栋， 徐香秋， 李国臣， SONG Guang-sheng， LIU Xiang-hua，WANG Guo-dong， XU Xiang-qiu， LI Guo-chen
作者单位：宋广胜,刘相华,王国栋,SONG Guang-sheng,LIU Xiang-hua,WANG Guo-dong(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004)， 徐香秋,李国臣,XU Xiang-qiu,LI
Guo-chen(一汽集团技术中心,吉林,长春,130011)
刊名：
钢铁研究学报
英文刊名：JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH
年，卷(期)：2006,18(10)
被引用次数：5次
参考文献(11条)
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本文链接：/Periodical_gtyjxb200610009.aspx。