本發(fā)明涉及一種基于ttt曲線預(yù)測軸件感應(yīng)淬火淬硬層組織和硬度方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)材料熱處理工藝通過大量試驗(yàn)研究篩選一種較好處理工藝，成本既高又費(fèi)時(shí)。具有高質(zhì)量、重復(fù)性及適應(yīng)性強(qiáng)等特征的感應(yīng)淬火熱處理是熱處理行業(yè)中應(yīng)用最廣和發(fā)展最快的表面處理工藝之一，通過有限元分析預(yù)測工件感應(yīng)淬火的淬硬層組織和硬度，確定其最佳工藝參數(shù)并指導(dǎo)生產(chǎn)，避免測定工件的淬硬層深度時(shí)損壞試驗(yàn)工件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于ttt曲線預(yù)測軸件感應(yīng)淬火淬硬層的組織和硬度方法，基于ansys有限元平臺(tái)來模擬感應(yīng)淬火過程，結(jié)合材料ttt曲線預(yù)測軸件感應(yīng)淬火淬硬層的組織和硬度，減小感應(yīng)淬火試驗(yàn)工作量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于ttt曲線預(yù)測軸件感應(yīng)淬火淬硬層組織和硬度方法，按照下列步驟進(jìn)行：

步驟1)依據(jù)感應(yīng)淬火實(shí)際工作環(huán)境構(gòu)建感應(yīng)淬火有限元實(shí)體模型；

步驟2)模型劃分網(wǎng)格單元，定義二維耦合場實(shí)體單元plane13屬性及材料屬性；

施加熱源載荷、熱對(duì)流約束及邊界條件至二維耦合場實(shí)體單元plane13各節(jié)點(diǎn)上，采用直接法對(duì)工件進(jìn)行電磁熱耦合分析獲取電磁熱耦合計(jì)算結(jié)果；

步驟3)計(jì)算軸零件在材料失磁后的升溫速率，由軸件材料連續(xù)加熱升溫速率vac1/ac3與ac1和ac3變化曲線計(jì)算得到軸件的奧氏體化溫度ac1和ac3；

步驟4)由感應(yīng)淬火的工藝參數(shù)計(jì)算得到軸件模擬加熱溫度隨徑向分布曲線，由步驟3)中計(jì)算所得ac1和ac3值確定奧氏體在軸徑向分布上含量范圍；

步驟5)感應(yīng)加熱結(jié)束后對(duì)軸件表面施加對(duì)流換熱系數(shù)載荷，模擬感應(yīng)淬火冷卻過程溫度場變化；得到軸件徑向淬硬層深度范圍內(nèi)任一位置的冷卻曲線；

步驟6)查找《鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變曲線—原理、測試與應(yīng)用》得到上述奧氏體化溫度下對(duì)應(yīng)工件ttt圖，采用數(shù)值處理方法處理ttt圖，根據(jù)工件材料組織場動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型編寫感應(yīng)淬火過程中電磁場、溫度場和組織場的演變程序；

步驟7)將步驟5)中的感應(yīng)淬火冷卻曲線與步驟6)中的基于ttt曲線程序聯(lián)合計(jì)算，得到感應(yīng)淬火后的軸徑向上各處奧氏體轉(zhuǎn)變組織及其硬度變化；

步驟8)根據(jù)步驟4)計(jì)算得到軸件感應(yīng)淬火淬硬層中奧氏體含量分布，結(jié)合步驟7)中的計(jì)算結(jié)果得到軸件感應(yīng)淬火后的淬硬層組織及硬度；

步驟9)將步驟8)的感應(yīng)淬火淬硬層的組織及硬度計(jì)算結(jié)果與最終試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析誤差，給出模擬預(yù)測的可行性。

進(jìn)一步地，所述步驟2)中采用直接法對(duì)工件進(jìn)行電磁熱耦合分析，得到電磁熱耦合計(jì)算結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中感應(yīng)淬火有限元實(shí)體模型包括材料物性參數(shù)、模型網(wǎng)格大小和迭代時(shí)間步長；所述迭代時(shí)間不長依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取。

進(jìn)一步地，所述步驟4)中奧氏體在軸徑向分布上含量范圍的確定采用線性插值方法。

進(jìn)一步地，所述驟6)中采用數(shù)值處理方法對(duì)ttt圖進(jìn)行擬合處理；根據(jù)擴(kuò)散型和非擴(kuò)散型相變動(dòng)力學(xué)模型編寫程序描述感應(yīng)淬火組織場和溫度場的關(guān)系，并根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)信息擬合處理得到材料一定奧氏體化后各等溫轉(zhuǎn)變獲取轉(zhuǎn)變組織與其硬度的關(guān)系。

進(jìn)一步地，所述步驟6)中ttt圖數(shù)值化處理采用軟件getdate進(jìn)行信息采集；

感應(yīng)淬火過程中電磁場、溫度場和組織場的演變程序采用matlab軟件編寫；

采用origin軟件對(duì)軸件感應(yīng)淬火軸徑向各處冷卻速度所獲組織與淬硬層硬度的數(shù)學(xué)關(guān)系擬合出相應(yīng)公式。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中感應(yīng)淬火實(shí)際工作環(huán)境包括感應(yīng)加熱頻率、加熱時(shí)間、電流密度、感應(yīng)線圈內(nèi)徑及高度。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本方法基于ansys有限元平臺(tái)，通過模擬計(jì)算軸件感應(yīng)淬火淬硬層的組織和硬度，調(diào)節(jié)感應(yīng)工藝參數(shù)來滿足工件的技術(shù)指標(biāo)，可在避免損壞工件的情況下進(jìn)行感應(yīng)淬火淬硬層的組織硬度預(yù)測，也可根據(jù)實(shí)際工件形狀、尺寸和設(shè)備參數(shù)改變預(yù)測模型，快捷方便預(yù)測出軸件感應(yīng)淬火淬硬層的組織和硬度，且預(yù)測結(jié)果具有較為準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是軸件感應(yīng)淬火幾何模型示意圖；

圖2是軸件有限元分析網(wǎng)格模型的示意圖；

圖3是軸件表面加熱溫度隨時(shí)間變化曲線示意圖；

圖4是軸件連續(xù)加熱升溫速率與ac1和ac3變化曲線示意圖；

圖5是軸件徑向溫度分布及奧氏體含量分布示意圖；

圖6是軸件徑向不同深度的感應(yīng)淬火冷卻曲線示意圖；

圖7是880℃溫度奧氏體化的45鋼ttt圖；

圖8是880℃溫度奧氏體化的45鋼ttt圖數(shù)值化處理結(jié)果的示意圖；

圖9是45鋼奧氏體化后經(jīng)等溫轉(zhuǎn)變后組織與硬度的關(guān)系示意圖；

圖10是軸件徑向距表面2.21mm處的淬火冷卻曲線(等時(shí)間間隔處理后)與奧氏體化溫度為880℃的45鋼ttt圖結(jié)合情況示意圖；

圖11是軸件徑向距表面2.21mm處感應(yīng)淬火后的金相組織示意圖；

圖12是軸件徑向hv硬度預(yù)測分布和實(shí)測硬度分布曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1～4所示，利用ansys有限元分析軟件和matlab軟件對(duì)45鋼預(yù)測軸件感應(yīng)淬火淬硬層的組織和硬度，包括以下步驟：

(1)依據(jù)工件技術(shù)要求確定感應(yīng)淬火時(shí)實(shí)際加熱條件：感應(yīng)加熱頻率f＝195khz、加熱時(shí)間t＝3.8s和電流密度js＝420×106a/m²；工件直徑φ15.2mm，長5mm的軸件；感應(yīng)線圈內(nèi)徑為φ20mm，高度為5mm。

對(duì)軸對(duì)稱工件的1/2進(jìn)行一維建模：感應(yīng)器以集膚深度進(jìn)行建模，同時(shí)考慮工件和感應(yīng)圈之間間隙及周圍空氣場如圖1，其中a1區(qū)代表工件，a2區(qū)為感應(yīng)圈，a3為空氣場。仿真模擬模型如圖2所示，工件表面至心部采用等間距0.01mm網(wǎng)格大小的方式；感應(yīng)圈以電流集膚深度0.016mm建立網(wǎng)格，空氣場采用自由劃分的方式。

(2)定義二維耦合場實(shí)體單元plane13屬性及材料屬性，材料屬性包括材料的密度，在不同溫度下的磁導(dǎo)率μ、比熱容c和電阻率ρ。

進(jìn)入電磁熱耦合求解過程：定義熱源載荷、熱對(duì)流約束及邊界條件，包括環(huán)境溫度、感應(yīng)加熱電流密度、工件熱傳導(dǎo)系數(shù)及邊界換熱系數(shù)，施加熱源載荷、熱對(duì)流約束及邊界條件至二維耦合場實(shí)體單元plane13的各節(jié)點(diǎn)上，并采用直接法對(duì)工件進(jìn)行電磁熱耦合分析計(jì)算，迭代耦合時(shí)間步長為0.01s，得到電磁熱耦合結(jié)果；將耦合計(jì)算單元plane13轉(zhuǎn)化為溫度計(jì)算單元plane55，讀取電磁熱耦合計(jì)算結(jié)果作為載荷施加到各節(jié)點(diǎn)上，求解得到不同時(shí)刻和不同區(qū)域的溫度場。

(3)由軸件表面部位的加熱曲線如圖3，以45鋼的失磁點(diǎn)為760℃計(jì)算工件在失磁后升溫速率，根據(jù)軸件材料連續(xù)加熱奧氏體化相變溫度-升溫速率曲線如圖4，得到軸件的奧氏體化開始溫度ac1和結(jié)束溫度ac3分別為760℃和820℃。

(4)根據(jù)溫度場求解得到的時(shí)間t＝3.8s時(shí)軸件徑向溫度分布曲線如圖4所示，判斷軸徑向上奧氏體含量分布，具體判斷過程如下：ac3對(duì)應(yīng)徑向深度δ100％a為完全奧氏體組織；ac1對(duì)應(yīng)徑向深度δ0％a為開始奧氏體組織；完全奧氏體化和開始奧氏體化中間溫度790℃處深度δ50％a為50％奧氏體組織如圖5。

(5)加熱結(jié)束后對(duì)軸件表面施加對(duì)流換熱系數(shù)載荷，冷卻20s，模擬冷卻過程軸件的溫度場變化；由軸件徑向上不同深度處感應(yīng)淬火溫度變化情況如圖6。

(6)查找《鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變曲線—原理、測試與應(yīng)用》得到上述奧氏體化溫度880℃下對(duì)應(yīng)軸件45鋼的ttt圖如圖7，采用數(shù)值處理方法得到的ttt圖如圖8，根據(jù)材料組織場動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型編寫感應(yīng)淬火過程中電磁場、溫度場和組織場的演變程序。并根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)信息擬合處理得到材料奧氏體化后各等溫轉(zhuǎn)變溫度下獲取組織和其硬度的關(guān)系如圖9。

(7)將步驟(5)中的感應(yīng)淬火的冷卻過程與數(shù)值處理的奧氏體化溫度880℃的45鋼ttt圖結(jié)合，如軸件徑向距離表面2.21mm處的冷卻曲線與ttt結(jié)合情況如圖10，冷卻曲線需要處理成等時(shí)間間隔冷卻曲線，再采用上述程序計(jì)算相同時(shí)間間隔內(nèi)組織的轉(zhuǎn)變量。

(8)根據(jù)步驟(4)計(jì)算得到感應(yīng)淬火淬硬層中的奧氏體含量分布，結(jié)合步驟(7)中的計(jì)算結(jié)果按百分比計(jì)算得到軸件感應(yīng)淬火后淬硬層的組織及硬度，如軸件徑向距表面2.21mm處的組織含量計(jì)算結(jié)果為49.6％馬氏體(m)組織，2.0％貝氏體(b)組織和48.4％鐵素體及珠光體(f+p)組織，實(shí)測此處的金相組織圖片如圖11。

(9)將步驟(8)的感應(yīng)淬火淬硬層的硬度計(jì)算結(jié)果與最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析誤差如圖12，給出模擬預(yù)測的可行性。

圖8中所標(biāo)注的數(shù)字表示的是洛氏硬度hrc，字母等采用的是國際通用的定義。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。