铣刀钢深冷处理过程组织演变与分布的计算机分析

[摘 要]为了研究深冷处理过程中的组织演变与分布，本文通过DEFROM数值模拟软件分析了铣刀钢深冷处理组织演变和分布并通过X-ray衍射分析进行验证。结果表明，淬火初期工件中奥氏体组织含量显著减少而马氏体组织含量升高，随时间延长两相含量变化区域稳定。在深冷过程中，工件中残余奥氏体继续向马氏体转变，当深冷处理结束后工件中基本为马氏体组织。淬火处理后残余奥氏体组织主要分布在工件根部柱面上，马氏体组织主要分布在工件尖端位置。深冷处理后工件中残余奥氏体基本转变为马氏体，改善了工件的耐磨性能。

[关键词]深冷处理 残余奥氏体 马氏体 数值模拟

中图分类号：TM725 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0006-01

引言

在变形热、摩擦热的作用下工模具钢中的残余奥氏体向更加稳定的马氏体组织转变，从导致力学性能和工件尺寸的不稳定。为了解决这个问题，可以对工件在淬火后进行深冷处理使残余奥氏体继续向马氏体组织转变，在减少工件中残余奥氏体含量的同时调整组织分布。随着电脑技术的不断更新换代，科研工作者开始尝试通过模拟软件对深冷处理过程中温度场、组织结构分布以及应力变化进行模拟并加以分析[1～4]。赵[1]等对7A04铝合金构件深冷处理过程瞬态温度场进行了数值模拟，结果表明在深冷过程中试样端部具有明显的温度梯度。金[2]等研究了阀门深冷处理过程中的热传递。目前对深冷处理的数值模拟研究主要集中在温度场分布和热传递，对组织转变和温度、组织转变的耦合作用的研究少有报道。本文通过对铣刀钢的深冷处理过程进行数值模拟，研究了深冷处理过程中的组织变化规律。

1 试验方案

本文所选材料为SDC99铣刀钢，成分（%）：S+P

2 计算机仿真分析

铣刀钢工件整体进行网格划分，并对表面和尖端部位的网格进行细化，节点总数为29782，如图1所示。

试样与冷却介质的换热系数对模拟结果至关重要，本文中实验钢材和淬火油的换热系数随温度的变化曲线由工厂给出，液氮的换热系数可通过经验关系和实际测量进行确定。

在淬火和深冷处理模拟过程中将铣刀钢的热物性参数按照零下和零上分为低温和高温两种以提高其结果精确程度。钢材的比热和热导率在低温和高温区按照不同方式测量，在低温区使用PPMS系统而在高温区则通过激光法导热分析仪测量，弹性模量采用内耗测试系统进行测量。本文的模拟过程中将铣刀钢工件按照奥氏体和马氏体两相处理，有关相及其转变系数采用文献[5]。钢材的相变动力学参数取自本文作者前期工作结果。

3 结果与讨论

图2所示为工件横截面示意图，在其上选取5个位置研究其组织在深冷处理过程中的变化。从图中可以看出，各位置奥氏体组织体积分数随时间减少而马氏体组织体积分数增加。各位置奥氏体和马氏体组织体积分数变化速率不同，其中1位置变化速率最快，这是因为各位置的冷却速率不同而导致的。黎[4，5]等指出在深冷处理时，试样各位置冷却速率的不同引起组织变化的不同。

4 结论

通过DEFROM软件计算了铣刀钢深冷处理组织变化及分布并通过X-ray衍射进行验证，结果表明模拟结果准确可靠。淬火初期工件中奥氏体组织含量显著减少而马氏体组织含量升高，随时间增加两相含量变化区域稳定。在深冷过程中，工件中残余奥氏体继续向马氏体转变，当深冷处理结束后工件中基本为马氏体组织。淬火处理后残余奥氏体组织主要分布在工件根部柱面上，马氏体组织主要分布在工件尖端位置。深冷处理后工件中残余奥氏体基本转变为马氏体，改善了工件的耐磨性能。

参考文献

[1] 赵祖德，王秋成，谢伟东，等. 7A04 铝合金构件深冷处理过程瞬态温度场的数值模拟[J]. 低温工程，2007，156（ 2） ： 21 -23.

[2] Jin T， Hong J P， Zheng H， et al. Measurement of boiling heat transfer coefficient in liquid nitrogen bath by inverse heat conduction method[J]. 浙大学报（英文版）（A辑：应用物理和工程）， 2009， 10（5）：691-696.

[3] 黎军顽， 闵娜， 汤磊磊，等. SDC99铣刀钢深冷处理试验及数值分析[J]. 材料热处理学报， 2013， 34（2）：173-179.

[4] 韩晓君， 李淑娟， 闫献国，等. 深冷处理对高速钢磨削表面残余应力的影响[J]. 热加工工艺， 2015， （2）：227-231.

[5] 黎军顽， 封源， 吴晓春. 铣刀钢C型环试样深冷处理的数值模拟[J]. 机械工程材料， 2013， 37（2）：90-94.

作者信息

解瑞云，（1980-），女，河南商丘人，武汉理工大学硕士研究生，河南机电高等专科学校讲师，主要研究方向： 软件开发应用等。