基于TTT曲线预测轴件感应淬火淬硬层组织和硬度方法与流程

本发明涉及一种基于ttt曲线预测轴件感应淬火淬硬层组织和硬度方法。

背景技术：

传统材料热处理工艺通过大量试验研究筛选一种较好处理工艺，成本既高又费时。具有高质量、重复性及适应性强等特征的感应淬火热处理是热处理行业中应用最广和发展最快的表面处理工艺之一，通过有限元分析预测工件感应淬火的淬硬层组织和硬度，确定其最佳工艺参数并指导生产，避免测定工件的淬硬层深度时损坏试验工件。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于ttt曲线预测轴件感应淬火淬硬层的组织和硬度方法，基于ansys有限元平台来模拟感应淬火过程，结合材料ttt曲线预测轴件感应淬火淬硬层的组织和硬度，减小感应淬火试验工作量。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于ttt曲线预测轴件感应淬火淬硬层组织和硬度方法，按照下列步骤进行：

步骤1)依据感应淬火实际工作环境构建感应淬火有限元实体模型；

步骤2)模型划分网格单元，定义二维耦合场实体单元plane13属性及材料属性；

施加热源载荷、热对流约束及边界条件至二维耦合场实体单元plane13各节点上，采用直接法对工件进行电磁热耦合分析获取电磁热耦合计算结果；

步骤3)计算轴零件在材料失磁后的升温速率，由轴件材料连续加热升温速率vac1/ac3与ac1和ac3变化曲线计算得到轴件的奥氏体化温度ac1和ac3；

步骤4)由感应淬火的工艺参数计算得到轴件模拟加热温度随径向分布曲线，由步骤3)中计算所得ac1和ac3值确定奥氏体在轴径向分布上含量范围；

步骤5)感应加热结束后对轴件表面施加对流换热系数载荷，模拟感应淬火冷却过程温度场变化；得到轴件径向淬硬层深度范围内任一位置的冷却曲线；

步骤6)查找《钢的奥氏体转变曲线—原理、测试与应用》得到上述奥氏体化温度下对应工件ttt图，采用数值处理方法处理ttt图，根据工件材料组织场动力学数学模型编写感应淬火过程中电磁场、温度场和组织场的演变程序；

步骤7)将步骤5)中的感应淬火冷却曲线与步骤6)中的基于ttt曲线程序联合计算，得到感应淬火后的轴径向上各处奥氏体转变组织及其硬度变化；

步骤8)根据步骤4)计算得到轴件感应淬火淬硬层中奥氏体含量分布，结合步骤7)中的计算结果得到轴件感应淬火后的淬硬层组织及硬度；

步骤9)将步骤8)的感应淬火淬硬层的组织及硬度计算结果与最终试验结果对比分析误差，给出模拟预测的可行性。

进一步地，所述步骤2)中采用直接法对工件进行电磁热耦合分析，得到电磁热耦合计算结果。

进一步地，所述步骤1)中感应淬火有限元实体模型包括材料物性参数、模型网格大小和迭代时间步长；所述迭代时间不长依据经验值选取。

进一步地，所述步骤4)中奥氏体在轴径向分布上含量范围的确定采用线性插值方法。

进一步地，所述骤6)中采用数值处理方法对ttt图进行拟合处理；根据扩散型和非扩散型相变动力学模型编写程序描述感应淬火组织场和温度场的关系，并根据图中的数据信息拟合处理得到材料一定奥氏体化后各等温转变获取转变组织与其硬度的关系。

进一步地，所述步骤6)中ttt图数值化处理采用软件getdate进行信息采集；

感应淬火过程中电磁场、温度场和组织场的演变程序采用matlab软件编写；

采用origin软件对轴件感应淬火轴径向各处冷却速度所获组织与淬硬层硬度的数学关系拟合出相应公式。

进一步地，所述步骤1)中感应淬火实际工作环境包括感应加热频率、加热时间、电流密度、感应线圈内径及高度。

本发明所达到的有益效果：本方法基于ansys有限元平台，通过模拟计算轴件感应淬火淬硬层的组织和硬度，调节感应工艺参数来满足工件的技术指标，可在避免损坏工件的情况下进行感应淬火淬硬层的组织硬度预测，也可根据实际工件形状、尺寸和设备参数改变预测模型，快捷方便预测出轴件感应淬火淬硬层的组织和硬度，且预测结果具有较为准确的优点。

附图说明

图1是轴件感应淬火几何模型示意图；

图2是轴件有限元分析网格模型的示意图；

图3是轴件表面加热温度随时间变化曲线示意图；

图4是轴件连续加热升温速率与ac1和ac3变化曲线示意图；

图5是轴件径向温度分布及奥氏体含量分布示意图；

图6是轴件径向不同深度的感应淬火冷却曲线示意图；

图7是880℃温度奥氏体化的45钢ttt图；

图8是880℃温度奥氏体化的45钢ttt图数值化处理结果的示意图；

图9是45钢奥氏体化后经等温转变后组织与硬度的关系示意图；

图10是轴件径向距表面2.21mm处的淬火冷却曲线(等时间间隔处理后)与奥氏体化温度为880℃的45钢ttt图结合情况示意图；

图11是轴件径向距表面2.21mm处感应淬火后的金相组织示意图；

图12是轴件径向hv硬度预测分布和实测硬度分布曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～4所示，利用ansys有限元分析软件和matlab软件对45钢预测轴件感应淬火淬硬层的组织和硬度，包括以下步骤：

(1)依据工件技术要求确定感应淬火时实际加热条件：感应加热频率f＝195khz、加热时间t＝3.8s和电流密度js＝420×106a/m²；工件直径φ15.2mm，长5mm的轴件；感应线圈内径为φ20mm，高度为5mm。

对轴对称工件的1/2进行一维建模：感应器以集肤深度进行建模，同时考虑工件和感应圈之间间隙及周围空气场如图1，其中a1区代表工件，a2区为感应圈，a3为空气场。仿真模拟模型如图2所示，工件表面至心部采用等间距0.01mm网格大小的方式；感应圈以电流集肤深度0.016mm建立网格，空气场采用自由划分的方式。

(2)定义二维耦合场实体单元plane13属性及材料属性，材料属性包括材料的密度，在不同温度下的磁导率μ、比热容c和电阻率ρ。

进入电磁热耦合求解过程：定义热源载荷、热对流约束及边界条件，包括环境温度、感应加热电流密度、工件热传导系数及边界换热系数，施加热源载荷、热对流约束及边界条件至二维耦合场实体单元plane13的各节点上，并采用直接法对工件进行电磁热耦合分析计算，迭代耦合时间步长为0.01s，得到电磁热耦合结果；将耦合计算单元plane13转化为温度计算单元plane55，读取电磁热耦合计算结果作为载荷施加到各节点上，求解得到不同时刻和不同区域的温度场。

(3)由轴件表面部位的加热曲线如图3，以45钢的失磁点为760℃计算工件在失磁后升温速率，根据轴件材料连续加热奥氏体化相变温度-升温速率曲线如图4，得到轴件的奥氏体化开始温度ac1和结束温度ac3分别为760℃和820℃。

(4)根据温度场求解得到的时间t＝3.8s时轴件径向温度分布曲线如图4所示，判断轴径向上奥氏体含量分布，具体判断过程如下：ac3对应径向深度δ100％a为完全奥氏体组织；ac1对应径向深度δ0％a为开始奥氏体组织；完全奥氏体化和开始奥氏体化中间温度790℃处深度δ50％a为50％奥氏体组织如图5。

(5)加热结束后对轴件表面施加对流换热系数载荷，冷却20s，模拟冷却过程轴件的温度场变化；由轴件径向上不同深度处感应淬火温度变化情况如图6。

(6)查找《钢的奥氏体转变曲线—原理、测试与应用》得到上述奥氏体化温度880℃下对应轴件45钢的ttt图如图7，采用数值处理方法得到的ttt图如图8，根据材料组织场动力学数学模型编写感应淬火过程中电磁场、温度场和组织场的演变程序。并根据图中的数据信息拟合处理得到材料奥氏体化后各等温转变温度下获取组织和其硬度的关系如图9。

(7)将步骤(5)中的感应淬火的冷却过程与数值处理的奥氏体化温度880℃的45钢ttt图结合，如轴件径向距离表面2.21mm处的冷却曲线与ttt结合情况如图10，冷却曲线需要处理成等时间间隔冷却曲线，再采用上述程序计算相同时间间隔内组织的转变量。

(8)根据步骤(4)计算得到感应淬火淬硬层中的奥氏体含量分布，结合步骤(7)中的计算结果按百分比计算得到轴件感应淬火后淬硬层的组织及硬度，如轴件径向距表面2.21mm处的组织含量计算结果为49.6％马氏体(m)组织，2.0％贝氏体(b)组织和48.4％铁素体及珠光体(f+p)组织，实测此处的金相组织图片如图11。

(9)将步骤(8)的感应淬火淬硬层的硬度计算结果与最终实验结果对比分析误差如图12，给出模拟预测的可行性。

图8中所标注的数字表示的是洛氏硬度hrc，字母等采用的是国际通用的定义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。