王沛瑩 黎軍頑 蔡 欣

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 2.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444; 3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

變形是模具鋼熱處理后產(chǎn)生的主要缺陷之一[1]。對(duì)工模夾具來說，淬火可能會(huì)使零件的尺寸發(fā)生偏差，甚至導(dǎo)致零件報(bào)廢[2]。因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制熱處理變形是目前熱處理工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3]。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)深冷處理進(jìn)行了廣泛而深入的研究，表明深冷處理能夠使淬火后零件中不穩(wěn)定的殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，穩(wěn)定材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高精密零件的尺寸穩(wěn)定性。然而在淬火和深冷處理過程中，影響零件變形的因素十分復(fù)雜，特別是相變的發(fā)生使得零件的變形更加難以控制。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法不能定量地分析這些因素對(duì)零件變形的影響，同時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金，造成人力物力的浪費(fèi)[4]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者已采用數(shù)值方法研究了熱處理過程中試樣的尺寸變化，揭示了淬火變形的起源。Silva等[5]模擬預(yù)測(cè)了C型環(huán)的淬火變形情況，指出計(jì)算機(jī)模擬可以很好地應(yīng)用到產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)中去；Jung等[6]修正了中碳鋼的相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)，討論了相變動(dòng)力學(xué)對(duì)變形和殘余應(yīng)力的影響；Ju等[7]研究了淬火過程中馬氏體的相變塑性；Lee等[8]研究了低合金鋼的淬火過程，模擬分析了相變對(duì)工件淬火變形的影響規(guī)律。這些研究均有力地推動(dòng)了熱處理變形數(shù)值模型的建立[9]。然而目前對(duì)深冷處理的數(shù)值研究很少考慮到相變，因而不能準(zhǔn)確描述淬火和深冷處理中的變形行為。本文基于金屬- 熱- 機(jī)械耦合理論模型，采用有限元方法模擬了C型環(huán)的淬火和深冷處理過程，揭示了熱應(yīng)變和組織應(yīng)變對(duì)零件變形行為的影響機(jī)制。并輔以試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的熱處理變形規(guī)律提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

由于C型環(huán)上下圓面的不對(duì)稱和開口的設(shè)計(jì)有利于放大熱處理變形，本文采用的C型環(huán)幾何形狀如圖1所示，試樣的外圓半徑R1、內(nèi)鏜孔半徑R2、開口寬度d、厚度l、最大壁厚h分別為31.75、18.40、6.35、12.70和23.73 mm。C型環(huán)材料是新型冷作模具鋼Cr8Mo2SiV(SDC99)[10]，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.91C、0.51Si、0.30Mn、8.60Cr、1.47Mo、0.3V、0.01P、0.000 8S。C型環(huán)的熱處理工藝為油冷淬火+深冷處理。油冷淬火工藝為：將試樣加熱到1 040 ℃，保溫3 600 s后油冷1 800 s至室溫(20 ℃)。深冷處理工藝為：將淬火試樣直接浸入-196 ℃的工業(yè)液氮中保溫1 800 s，待試樣冷透后取出，放置在室溫下自然復(fù)溫。采用最小分辨率為0.001 mm的數(shù)顯千分尺測(cè)量淬火和深冷處理后試樣的尺寸。

圖1 C型環(huán)幾何形狀示意圖Fig.1 Geometry schematic diagram of C- ring specimen

2 淬火及深冷處理的變形機(jī)制

影響熱處理變形的因素十分復(fù)雜，主要來源于試樣內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻分布產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及相變產(chǎn)生的組織應(yīng)力[11- 12]。但用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法很難獲得應(yīng)變的定量數(shù)據(jù)，因此有必要采用數(shù)值模擬方法來獲得各應(yīng)變分量。本文C型環(huán)試樣變形行為的預(yù)測(cè)基于式(1)應(yīng)變與應(yīng)變分量的關(guān)系[13]：

(1)

在形變較小的情況下，總應(yīng)變速率由彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱- 相變機(jī)制引起的應(yīng)變組成，其中熱- 相變應(yīng)變包含熱應(yīng)變和組織應(yīng)變[14- 15]：

(2)

因此，導(dǎo)致熱處理變形的應(yīng)變是熱應(yīng)變和組織應(yīng)變共同作用形成的復(fù)合應(yīng)變[16]，本文主要從熱應(yīng)變和組織應(yīng)變兩個(gè)方面討論其對(duì)C型環(huán)變形行為的影響。

3 有限元計(jì)算模型

有限元模擬以SDC99冷作模具鋼為研究對(duì)象，其熱物性參數(shù)，如各相的熱膨脹系數(shù)、相變潛熱參數(shù)、C型環(huán)與介質(zhì)的表面換熱系數(shù)均參考文獻(xiàn)[17]。在試樣淬火和深冷處理的有限元建模過程中，采用六面體單元可以確保模擬精度和準(zhǔn)確度，其單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為24 000和28 237，網(wǎng)格劃分如圖1所示。淬火及深冷處理的模擬工藝與試驗(yàn)方案一致，模擬過程中對(duì)C型環(huán)下部的圓孔處進(jìn)行約束。

4 結(jié)果與分析

4.1 模擬驗(yàn)證

為了便于討論C型環(huán)在熱處理過程中的應(yīng)變演變及變形行為，選取中心截面和底部截面的追蹤點(diǎn)C1、C2、C3、S1、S2、S3，如圖2所示。C型環(huán)的變形主要通過開口處的尺寸變化及外徑的尺寸變化來表征[13]，因此本文選取試樣開口部位和最大直徑部位的特征點(diǎn)P1、P2、P3和P4，對(duì)試樣開口距離d和最大直徑處的距離l的尺寸變化Δd和Δl進(jìn)行討論。

圖2 C型環(huán)追蹤點(diǎn)選擇示意圖Fig.2 Schematic diagrams of tracking points in C- ring specimen

C型環(huán)淬火和深冷處理后，Δd的試驗(yàn)結(jié)果為0.062和0.036 mm，模擬結(jié)果為0.071和0.041 mm，Δl的試驗(yàn)結(jié)果為-0.107和-0.139 mm，模擬結(jié)果為-0.091和-0.132 mm，兩者吻合良好，說明模擬能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)結(jié)果表明，深冷處理可以減小淬火后尺寸的擴(kuò)張，穩(wěn)定試樣尺寸。圖3為C型環(huán)試樣在淬火及深冷過程中開口尺寸變化(Δd)及最大直徑尺寸變化(Δl)，由圖可知，在淬火階段，Δd先增大后減小，在4.6 s時(shí)達(dá)到峰值0.993 mm，Δl有一個(gè)急劇減小和一個(gè)緩慢增大的過程，2.9 s時(shí)達(dá)到峰值0.642 mm。淬火結(jié)束后，Δd(0.049 mm)明顯大于Δl(-0.079 mm)，這意味著在淬火過程中試樣的塑性變形明顯不一致，不利于試樣的尺寸穩(wěn)定性。深冷處理過程中試樣的Δd和Δl與淬火過程的變化趨勢(shì)相同，但前者在數(shù)值上要小得多，尤其是在最大直徑處，甚至呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，深冷76 s左右時(shí)Δd達(dá)到峰值為0.065 mm。深冷結(jié)束后，試樣Δd和Δl分別減小到0.036和-0.132 mm。說明深冷處理能夠有效提高試樣的尺寸穩(wěn)定性，消除熱處理引起的變形。

4.2 熱應(yīng)變

圖4給出了淬火及深冷過程中試樣追蹤點(diǎn)C1、C2、C3、S1、S2、S3的冷卻曲線和心表溫差曲線，由圖可知，淬火過程中試樣心表的冷卻過程存在較大差異，5 s時(shí)，C3與S3點(diǎn)溫差達(dá)到289 ℃，這是由于淬火開始時(shí)試樣表面與介質(zhì)發(fā)生劇烈的熱交換，而心部熱量未及時(shí)與環(huán)境交換，溫度下降較為緩慢，所以心部與表面溫差明顯。與淬火相比，深冷條件下各追蹤點(diǎn)的冷卻曲線要平緩得多，且各部位冷卻性差異也相對(duì)較小。各點(diǎn)間溫差峰值均為5 ℃左右，但出現(xiàn)峰值的先后順序略有差異，靠近試樣開口處的溫差峰值最先出現(xiàn)，然后依次向壁厚最大處轉(zhuǎn)移。

圖3 C型環(huán)試樣在淬火和深冷過程中(a)開口和(b)最大直徑處的預(yù)測(cè)尺寸變化Fig.3 Predicted dimensional changes in the positions of (a)opening and (b)the maximum diameter of C- ring specimen during QT and DCT

圖4 試樣在淬火和深冷過程中心部和底部不同追蹤點(diǎn)的(a)冷卻曲線和(b)心表溫差曲線Fig.4 Cooling curves (a) and temperature difference curves (b) between center and surface of different tracking points at the center and bottom of specimen during QT and DCT

圖5給出了試樣淬火及深冷過程中各追蹤點(diǎn)熱應(yīng)變和熱應(yīng)力的演變曲線，由圖可知，試樣的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力有相似的變化趨勢(shì)，淬火6 s后，試樣的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力已經(jīng)急劇下降，且開口部位和表面下降的更快，壁厚最大處及心部下降的較慢，因此在冷卻開始階段，相對(duì)位移的增加主要以開口部位向兩側(cè)的收縮為主。淬火結(jié)束后，試樣的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力約為0.002 6 mm/mm和40 MPa，由于此時(shí)P1和P2兩點(diǎn)周圍溫度分布比較均勻且溫度較低，對(duì)開口相對(duì)位移的貢獻(xiàn)量有限，而下部實(shí)心區(qū)域的溫度仍然很高，將持續(xù)收縮，這一收縮變形將引起其他部位的剛性移動(dòng)，從而導(dǎo)致開口處相對(duì)位移的減小，變形從擴(kuò)張逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s。深冷結(jié)束后，試樣各追蹤點(diǎn)的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力進(jìn)一步減小到-0.005 2 mm/mm和-110 MPa，試樣進(jìn)一步收縮變形，因此C型環(huán)下部所經(jīng)歷的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力狀態(tài)是影響開口和最大直徑處變形行為的關(guān)鍵。

圖5 試樣在淬火和深冷過程中心部和底部不同追蹤點(diǎn)的(a)熱應(yīng)變和(b)熱應(yīng)力演變曲線Fig.5 Thermal strain (a) and stress evolution curves (b) of different tracking points at the center and bottom of specimen during QT and DCT

4.3 組織應(yīng)變

圖6給出了C型環(huán)試樣在淬火及深冷處理過程中奧氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變曲線，由圖可知，淬火后試樣心部和表面的組織分布不均勻，心部追蹤點(diǎn)C2、C3和表面及開口部位追蹤點(diǎn)C1、S1、S2、S3的奧氏體體積分?jǐn)?shù)在淬火后，分別降低到約10%和15%，與奧氏體轉(zhuǎn)變曲線相反，馬氏體體積分?jǐn)?shù)在淬火后分別為88%和83%；進(jìn)入深冷階段后，試樣中奧氏體和馬氏體分布的不均勻性得到顯著改善，深冷處理結(jié)束后，各部位的奧氏體體積分?jǐn)?shù)均降低到2%，馬氏體體積分?jǐn)?shù)上升到約96%。

圖7給出了試樣淬火及深冷處理過程中各追蹤點(diǎn)的組織應(yīng)變和組織應(yīng)力的演變曲線，由圖可知，在淬火過程中，組織應(yīng)變由最初的-0.002 mm/mm升高到0.003 8 mm/mm，組織應(yīng)力也由最初的-100 MPa升高到700 MPa，在淬火開始后很短的時(shí)間內(nèi)，試樣開口部位的組織應(yīng)變發(fā)生了劇烈的變化，心部的變化比較滯后，這是由于試樣各部位的冷卻速率不同，導(dǎo)致局部相互約束產(chǎn)生熱應(yīng)力，隨著溫度的逐漸降低，低于馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Ms點(diǎn))的部位先發(fā)生馬氏體相變，因此，淬火初期奧氏體有一個(gè)快速向馬氏體轉(zhuǎn)變的階段，隨后，試樣由于組織應(yīng)力引起的變形趨于穩(wěn)定。深冷結(jié)束后，試樣各部位的組織應(yīng)變進(jìn)一步增大到0.005 1 mm/mm，這是由于深冷處理過程中，殘留奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使得組織應(yīng)變進(jìn)一步增大。對(duì)比圖5與圖7可知，淬火結(jié)束后，組織應(yīng)變大于熱應(yīng)變，產(chǎn)生的總應(yīng)變?yōu)?.001 2 mm/mm，試樣呈拉伸變形；深冷處理結(jié)束后，熱應(yīng)變略大于相變應(yīng)變，產(chǎn)生的總應(yīng)變?yōu)?0.000 1 mm/mm，試樣變形量減少，呈壓縮變形。因此，深冷處理可以有效地減小淬火產(chǎn)生的拉伸變形，并轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s變形。

圖6 試樣在淬火和深冷處理過程中心部和底部追蹤點(diǎn)的(a)奧氏體和(b)馬氏體轉(zhuǎn)變曲線Fig.6 Austenite (a) and martensite transformation curves (b) of different tracking points at the center and bottom of specimen during QT and DCT

圖7 試樣在淬火和深冷處理過程中心部和底部追蹤點(diǎn)的(a)相變應(yīng)變和(b)相變應(yīng)力變化曲線Fig.7 Phase transformation strain (a) and stress curves (b) of different tracking points at the center and bottom of specimen during QT and DCT

5 結(jié)論

(1)淬火過程中C型環(huán)試樣心表的冷卻速率存在較大差異，最大心表溫差達(dá)289 ℃，導(dǎo)致局部相互約束產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起C型環(huán)產(chǎn)生不均勻收縮變形，淬火及深冷結(jié)束后試樣的熱應(yīng)變分別為-0.002 6和-0.005 2 mm/mm。

(2)淬火結(jié)束后，由于試樣心表冷卻速率的不同，溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Ms點(diǎn))的部位先發(fā)生馬氏體相變，試樣開口部位的組織應(yīng)變發(fā)生了劇烈的變化，心部的變化比較滯后；淬火及深冷處理后，試樣中奧氏體體積分?jǐn)?shù)分別為15%和2%，由相變產(chǎn)生的相變應(yīng)變分別為0.003 8和0.005 1 mm/mm。

(3)淬火結(jié)束后，組織應(yīng)變大于熱應(yīng)變，產(chǎn)生的總應(yīng)變?yōu)?.001 2 mm/mm，試樣開口部位和最大直徑的尺寸變化分別為0.062和-0.107 mm；深冷結(jié)束后，熱應(yīng)變略大于相變應(yīng)變，產(chǎn)生的總應(yīng)變?yōu)?0.000 1 mm/mm，試樣開口部位和最大直徑的尺寸變化分別為0.036和-0.139 mm，深冷處理可以有效地減小淬火產(chǎn)生的拉伸變形，并轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s變形。