田秦冠 江珍艷 陳梅梅

（中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司，四川成都 610503）

滲碳是將低碳鋼放入含有碳原子的介質(zhì)中，使活性碳原子滲入鋼的表面，以獲得高碳的滲層組織，隨后淬火使表面硬度和耐磨性提高，該工藝廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的齒輪以及曲軸等表面耐磨零件。但是如果加工過程中滲層表面磨削產(chǎn)生燒傷，由于溫度較高導(dǎo)致組織變化使材料表面原來的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，可能產(chǎn)生非常大的殘余拉應(yīng)力，有時(shí)候可能會導(dǎo)致滲層出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響零件加工及使用性能。

對殘余應(yīng)力進(jìn)行測量，可采用盲孔法、剝層法、XRD衍射分析等，但是這些測量方法由于分辨率以及操作性的限制，很難對于滲層表面距離心部約0.5mm內(nèi)的較小范圍殘余應(yīng)力分布進(jìn)行測量，而且這些方法很難得出燒傷時(shí)應(yīng)力狀態(tài)瞬間變化的過程。本文就嘗試對滲碳后燒傷過程進(jìn)行仿真，以此來模擬燒傷過程應(yīng)力狀態(tài)變化的規(guī)律。

1.模型建立

1.1 仿真模型

本文采用了SYSWELD-HT軟件作為工具。零件為薄壁環(huán)形件，壁厚為10mm，對環(huán)形件內(nèi)表面進(jìn)行滲碳，滲碳層深度0.5mm。網(wǎng)格劃分將滲層劃分為10層，每層0.05mm，零件基礎(chǔ)網(wǎng)格大小約0.2mm，滲碳層附近的基體網(wǎng)格采用漸進(jìn)式過渡網(wǎng)格劃分，逐漸過渡至零件中心部位。

1.2 邊界條件設(shè)置

本文采用數(shù)值模擬的基體材料為16CrMo5，首先對滲碳后的零件進(jìn)行淬火回火數(shù)值模擬，以此結(jié)果的滲層應(yīng)力狀態(tài)分布作為燒傷數(shù)值模擬的初始條件。從計(jì)算結(jié)果來看，滲碳后表面的滲層是處于壓應(yīng)力狀態(tài)，隨著深度的加深碳含量逐漸減小，所以壓應(yīng)力逐漸減小。這也符合滲碳層的應(yīng)力狀態(tài)分布，因?yàn)闈B碳后淬火冷卻過程中發(fā)生馬氏體相變，由于馬氏體的比容比奧氏體和鐵素體大，且與碳含量有關(guān)，碳含量增加比容也相應(yīng)增加[1-2]。這就使零件心部比容小于零件滲碳表面，導(dǎo)致零件滲碳層產(chǎn)生一個(gè)較大的壓應(yīng)力。

1.3 燒傷溫度設(shè)置

在磨削加工過程中產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力主要分為：磨削熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力；磨削熱導(dǎo)致組織變化產(chǎn)生的應(yīng)力；磨削材料因塑性形變而產(chǎn)生的應(yīng)力；對材料產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致的壓應(yīng)力。這些因素往往一同作用于磨削表面，但是滲碳層硬度較高，我們忽略磨削加工造成的材料形變，只考慮磨削使材料表面溫度瞬間升高導(dǎo)致的熱應(yīng)力以及組織應(yīng)力，這也是本文數(shù)值模擬的前提條件。

不同的磨削參數(shù)可能導(dǎo)致材料不同的溫升效果。黃向明等人就在研究GCr15磨削時(shí)候，當(dāng)砂輪速度為30m/s，磨削深度0.02mm時(shí)候材料表面最高溫度達(dá)1125℃；當(dāng)砂輪速度為30m/s，磨削深度0.01mm時(shí)候表面最高溫度707℃[3]。本次我們就以其測試的磨削表面溫度變化曲線為數(shù)值模擬設(shè)置，對材料表面局部區(qū)域進(jìn)行仿真模擬加熱冷卻。本文數(shù)值模擬的兩種方案，a方案為材料表面最高溫度1125℃的淬火燒傷，b方案為材料表面最高溫度707℃的回火燒傷。

2.數(shù)值模擬結(jié)果

對于方案a計(jì)算得出，淬火燒傷處表面產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力，在次表層形成最大的拉應(yīng)力狀態(tài)，然后隨著深度的增加拉應(yīng)力逐漸減小并過渡至壓應(yīng)力狀態(tài)。而方案b則是表面呈現(xiàn)出最大拉應(yīng)力，隨著深度的增加拉應(yīng)力逐漸減小并過渡至壓應(yīng)力。如果將劃分的10層滲碳網(wǎng)格進(jìn)行編號，從表面層開始到心部依次為1～10層，圖1是不同網(wǎng)格層從燒傷開始至0.3s時(shí)候應(yīng)力狀態(tài)變化的曲線。

圖1 滲層燒傷過程應(yīng)力變化

從圖1方案a中可以看出，表面第1層溫度由于超過了材料相變點(diǎn)導(dǎo)致表面回火馬氏體分解并轉(zhuǎn)變成了奧氏體，所以原來的壓應(yīng)力減小并且在隨后的降溫過程中，由于熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致表面產(chǎn)生了暫時(shí)的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力最大升高至約500MPa，在繼續(xù)冷卻過程中由于奧氏體發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，比容增大所以體積膨脹，使拉應(yīng)力迅速向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，最終在完全冷卻后表面壓應(yīng)力已經(jīng)接近200MPa。第2層因?yàn)闇囟任闯^材料的相變點(diǎn)，回火馬氏體僅發(fā)生高溫分解成為回火索氏體，因?yàn)楸热菪◇w積收縮，使得該層的壓應(yīng)力一直減小并轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，最終拉應(yīng)力已經(jīng)接近1200MPa。第6層和第10層由于溫度較低所以馬氏體未分解，所以該處在加熱和冷卻時(shí)候仍然保持一定的壓應(yīng)力狀態(tài)，在加熱過程中壓應(yīng)力所有增加是因?yàn)榧訜徇^程中的熱脹冷縮所致，在隨后冷卻中又有所下降。

圖1方案b由于燒傷表面溫度較低，所以在開始表層僅由馬氏體分解生成回火索氏體，導(dǎo)致該處壓應(yīng)力一直減小并轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，最終拉應(yīng)力接近1100MPa，次表層的拉應(yīng)力則有所減小。

3.結(jié)果分析

由上述結(jié)果分析得出，在磨削燒傷過程中，如果使表層溫升超過了材料的相變點(diǎn)，會導(dǎo)致材料表面冷卻過程中重新發(fā)生淬火，使表面形成一定的壓應(yīng)力狀態(tài)，這也是我們在金相中常見的白層組織。次表層由于溫度較低僅發(fā)生馬氏體分解體積收縮而形成拉應(yīng)力，加之表面壓應(yīng)力的影響導(dǎo)致最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在此處。例如圖1方案a第2層該處的拉應(yīng)力最后升高接近1200MPa，這么高的拉應(yīng)力如果超過了材料的極限強(qiáng)度就會產(chǎn)生裂紋。所以該情況裂紋的形成位置往往不是在表面，而是在次表層位置，這也使裂紋可能存在一定的隱蔽性，對使用產(chǎn)生很大的安全隱患。

淬火燒傷這種產(chǎn)生于次表層的裂紋在一些文獻(xiàn)中也有提及，程書海等人[4]就在分析齒輪磨削裂紋分析時(shí)候發(fā)現(xiàn)，在磨削近表面有內(nèi)部封閉裂紋，他們使用XRD測試殘余應(yīng)力也發(fā)現(xiàn)，裂紋以及附近處的表面呈現(xiàn)出較小的壓應(yīng)力，而次表層則呈現(xiàn)出較大的拉應(yīng)力，此結(jié)果以及應(yīng)力分布趨勢就與本文的計(jì)算非常吻合。

如果燒傷溫度未超過材料相變點(diǎn)，燒傷位置僅發(fā)生馬氏體分解，使原來壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在表層，所以裂紋的形成位置就在表面部位。這種情況會導(dǎo)致滲層表面硬度降低，從而降低滲層的耐磨性、使用性能。所以零件滲碳淬火后對表面進(jìn)行磨削加工，需要嚴(yán)格控制磨削工藝參數(shù)，防止磨削表面溫升太高。

4.結(jié)語

（1）磨削時(shí)候如果材料表面溫升太大超過了材料相變點(diǎn)，在隨后的冷卻過程中又發(fā)生二次淬火使表面產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力；次表層由于由于溫度較低發(fā)生回火轉(zhuǎn)變而使該處產(chǎn)生了拉應(yīng)力，該處也是最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置，最大拉應(yīng)力接近1200MPa。

（2）磨削時(shí)候如果材料表面溫升未達(dá)到材料相變點(diǎn)，將使表面及次表層均發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在材料表層位置，最大拉應(yīng)力接近1100MPa。