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碳化硅真空烧结炉温度场数值模拟与系统优化

熊梨, 张登春, 宋石初, 陈霖

金属热处理 2022, 47 (6): 259-265. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.06.046

摘要（80）

PDF （3115KB）（22）

为了提高碳化硅真空烧结炉加热系统的加热效率和温度均匀性,以ZSD4.5-1150C真空高温烧结炉为参考建模,采用Ansys Fluent软件、DO辐射模型,模拟了空载状态下真空烧结炉的瞬态温度分布规律,并与实测数据进行对比,最大误差在10%以内。在此基础上,进一步研究加热速率、加热管直径、加热管与有效加热区间距对加热系统温度分布特性及加热效率的影响,并对加热系统进行优化。结果表明,适当增大加热速率和加热管直径,可有效提高加热系统的加热效率和温度均匀性,加热管与有效加热区间距对加热系统性能影响不大;具体优化方案为加热速率9 K/min、加热管直径ø45 mm、加热管与有效加热区间距50 mm,优化后系统加热时间减少了60 min,加热效率提高了30%,温度均匀性满足工艺要求。

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汽车轮毂轴承内圈感应回火温度均匀性的数值模拟

魏文婷, 赵天翼, 柯锦哲, 刘青龙

金属热处理 2023, 48 (5): 129-137. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.021

摘要（77）

PDF （3417KB）（28）

采用电磁场与温度场耦合计算仿真模型,研究感应加热工艺参数对异形截面汽车轮毂轴承内圈回火温度场的影响规律,并采用响应曲面法分析感应回火工艺参数的交互影响作用。结果表明,随着感应线圈的频率和电流密度降低,轴承内圈心部与表层温度差缩小,整体升温速率降低;依据对温度差和升温速率的影响显著性程度从大到小对感应加热工艺参数排序依次是:电流密度、频率与空气间隙;基于响应曲面法得到的温度均匀性较优的感应回火工艺参数:频率10 kHz,电流密度19.6×10⁶ A/m²,外侧感应线圈与零件之间的空气间隙8.5 mm,并通过试验验证了温度场数值模拟的有效性;基于回火参数相当的等温回火与感应回火试验,发现两种工艺获得的硬度相近。

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真空炉隔热屏保温效果的数值仿真

王硕彬, 丛培武, 陆文林, 杜春辉, 陈旭阳

金属热处理 2022, 47 (6): 249-252. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.06.044

摘要（70）

PDF （1645KB）（21）

金属炉胆的真空炉主要用于处理一些对真空气氛要求较高的金属产品,炉胆的隔热屏制造成本较高并且不易改动。通过对WZDGQ-40型真空炉的金属隔热屏保温效果进行仿真研究,得到每层隔热屏的温度场情况。结果表明,调整中间两发热带的距离为200 mm时,炉胆外层温度降低80 ℃。合理的发热带宽度和发热带间距能够较好提高炉胆的保温效果,为今后该类型装备制造提供一定的参考价值。

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高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的端淬曲线与模拟计算

朱跃峰, 顾家琳, 周惠华, 王之香, 张锦文

金属热处理 2022, 47 (12): 237-243. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.040

摘要（65）

PDF （643KB）（24）

采用3种端淬曲线预测模型计算两炉次高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的端淬曲线,对比端淬硬度检测结果,分析了不同模型的预测误差。结果表明,金满模型的预测结果与端淬试验检测结果误差较小,可以用做这类钢的端淬结果预测。根据端淬曲线预测与实测结果的对比分析,结合相关高铁齿轮用钢技术条件的硬度规范对高铁齿轮用钢18CrNiMo7-6的冶炼成分控制给出了建议。

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16Cr3NiWMoVNbE钢C型环真空低压渗碳及淬火有限元模拟

袁丽, 贺笃鹏, 何欣, 秦湘阁

金属热处理 2022, 47 (9): 257-263. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.09.044

摘要（58）

PDF （628KB）（28）

通过马氏体转变动力学和碳浓度的扩散系数有限元模型,对16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢C型环进行真空低压渗碳淬火的温度场、浓度场、组织场、以及应力场的研究。结果表明,渗碳淬火后,得到碳浓度分布,可以很好地解释表层部分的最终马氏体分布情况,为预测齿轮钢渗碳淬火后碳浓度分布和马氏体分布提供了可靠依据。

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Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金力学性能的第一性原理研究

张倩, 李志昂, 刘倩倩, 刘宏武, 王青峰

金属热处理 2022, 47 (9): 250-256. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.09.043

摘要（55）

PDF （638KB）（21）

通过对合金的固溶体参数以及相比例图进行计算,研究了Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金的固溶体相形成规律,运用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Ti含量变化对Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金结构稳定性以及力学性能的影响。结果表明,Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金可以形成稳定的固溶体相,且合金主要由BCC相和Al₃Zr₅相组成,随Ti含量增加,合金的液相线降低,Al₃Zr₅相的相形成温度减小,直到Ti含量为60%~70%时,Al₃Zr₅相消失,合金由单一BCC相组成;Ti含量增加可以提高合金的结构稳定性,当Ti含量为25%~70%时,合金具有良好的力学稳定性,合金的体积模量、剪切模量以及杨氏模量随着Ti含量的增加呈上升趋势。Ti_x(AlNbZr)_100-x系多主元合金的基态能量和形成热随着Ti含量的增加而降低,表明增加Ti含量可以增加该合金系的热力学稳定性,使合金更易形成固溶体相。

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激光冲击波传播特性对E690钢表面微凹坑动态塑性变形的影响

王志敏, 黄春玲, 曹宇鹏

金属热处理 2022, 47 (6): 253-258. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.06.045

摘要（54）

PDF （3070KB）（18）

为研究激光冲击次数以及多次冲击过程中冲击波的传播特性对微凹坑动态塑性变形的影响,利用ABAQUS有限元软件分析了应力波在E690高强钢中的传播规律及微凹坑动态塑性应变规律,并设计试验验证了仿真的准确性。结果表明,由冲击压力引起的应力波在材料深度方向的衰减呈现先快后慢的特性,第3次和第4次冲击过程中应力波的衰减速度基本接近。受冲击波动态传播过程中表面波与纵波协同作用的影响,微凹坑表面塑性变形深度整体呈现沿光斑中心径向向四周递减,对比冲击1~4次后微凹坑深度方向塑性变形的测试结果与模拟结果,最大误差为4.80%,仿真模型准确可靠。同时,多次冲击后表面硬度增加趋势变缓,4次冲击后微凹坑表面出现硬化饱和现象。

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基于Fluent的真空固溶热处理炉内温度场流体场分析

贺瑞军, 冯润华, 韩啸, 孔令利

金属热处理 2022, 47 (12): 252-257. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.042

摘要（35）

PDF （643KB）（26）

基于有限元模拟仿真方法,对真空气淬热处理炉热区的温度场和流体场进行精细模拟,并模拟出空载、只装载料框和装载叶片的3种不同实际生产过程中可能遇到的情况的温度场和流体场。通过采用9点测温的方法,监测出有效加热区的温度变化趋势。同时,对不同部位的流速场进行监测。并结合实测数据,总结出温度变化规律以及温度场-流速场之间的耦合关系。为总结出热区温度-流速变化规律与分布状况,以及未来实现真空热处理的精密调控打下基础。

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Inconel 718高温合金等温压缩过程的组织演变及温度场模拟

王超, 任永海, 韩森霖, 程治, 王龙祥, 赵飞, 谭元标

金属热处理 2023, 48 (5): 151-157. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.024

摘要（35）

PDF （4538KB）（27）

采用Gleeble 3800热压缩试验机、Deform-3D有限元软件和光学显微镜研究了Inconel 718高温合金在950～1150 ℃温度范围和应变速率0.1～10 s^-1范围内的组织演变和温度场模拟。结果表明,在低变形温度和高应变速率下,初始阶段随着应变的增加,流变应力迅速增加到峰值。达到峰值应力后,流变曲线呈现出明显的流变软化现象。在低变形温度、高应变速率下,产生的变形热较大,合金易于发生动态再结晶,且动态再结晶程度较高,晶粒尺寸较小。当应变速率降低,变形热也逐渐降低,合金内部动态再结晶的晶粒体积分数减少。在变形温度为1100 ℃和应变速率为0.1 s^-1时,合金发生完全动态再结晶。基于Deform-3D软件模拟的温度场分布结果可知,低变形温度、高应变速率的热变形条件会使合金内部产生较大的变形热,随着变形温度的升高和应变速率的降低,变形热的值逐渐减小。当变形温度和应变速率一定时,合金内的变形热会随真应变的增加而不断增加。

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铈-硫易切削钢平衡析出相热力学计算与分析

王英虎

金属热处理 2022, 47 (9): 264-271. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.09.045

摘要（34）

PDF （647KB）（20）

采用Thermo-Calc热力学软件对铈-硫易切削钢300~1500 ℃范围内的析出相进行了热力学计算,并得到了平衡凝固相变路径图。此外,还讨论了Ce、S含量对Ce₂O₂S平衡相的影响和S、Mn含量对MnS平衡相的影响。结果表明,铈-硫易切削钢中平衡析出相主要有Ferrite、Ce₂O₂S、Corundum、Austenite、M₂(C,N)、Liquid、M₂₃C₆、MnS、Sigma、Spinel与M(C,N);随着Ce含量增加,Ce₂O₂S的析出量逐渐增加,但是S含量变化对Ce₂O₂S相的析出几乎没有影响;随着S含量增加,MnS平衡相的析出量逐渐增加,析出温度也逐渐增高,Mn含量变化对MnS相的析出量几乎没有影响,但Mn含量增加会使MnS析出温度升高;铈-硫易切削不锈钢铸坯中的硫化物呈球形、椭球形、纺锤形或短棒状并以簇状沿晶界分布,属于第Ⅱ类硫化物;通过添加稀土Ce,铈-硫易切削钢中球形稀土复合夹杂物所占比例较高,长宽比≤3的硫化物占比达到84.86%,硫化物的形态控制取得了较好的效果。

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中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢大锻件淬火过程有限元分析

杨宏韬, 刘科虹, 贾奇辉, 吴润生, 赵梓恒, 李玮

金属热处理 2023, 48 (5): 138-144. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.022

摘要（33）

PDF （4474KB）（35）

针对大型锻件存在组织不均导致淬火开裂的现象,采用DEFORM有限元软件对中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢大型锻件940 ℃淬火过程的温度场、应力场及组织场进行了数值模拟。结果表明,该中碳Cr-Ni-Mo-V耐热高强钢淬火过程中的锻件心部与表面温差超过600 ℃,内应力主要集中在台阶位置。根据模拟结果,实际锻件采用“水淬14 min+空冷10 min+水淬”的淬火工艺,可以在保证组织与常规水淬相似的前提下,极大地降低台阶位置的内应力,避免锻件淬火开裂。

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基于DEFORM的U型截面铝合金锻件淬火入水方式对残余应力的影响

龙帅, 周杰, 吴道祥, 王姝俨

金属热处理 2022, 47 (10): 258-262. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.10.044

摘要（32）

PDF （652KB）（21）

采用DEFORM软件对U型截面铝合金锻件固溶后淬火入水方式进行了数值模拟分析,研究了4种入水姿态和自由落体、5 m/s及2 m/s的入水速度对锻件温度场和残余应力的影响规律。结果表明,锻件入水姿态和入水速度对残余应力的影响显著,该锻件以U型面旋转90°姿态和自由落体入水时,残余应力值最小且分布最均匀。

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基于多场耦合模拟的齿毂高压气淬工艺设计

王皓, 王婧, 徐骏, 顾剑锋, 郭正洪

金属热处理 2022, 47 (12): 244-251. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.12.041

摘要（32）

PDF （641KB）（26）

针对20CrMnTi齿毂高压气淬工艺设计的需求,建立了一套流场-温度场-组织场-应力应变场耦合模拟体系,能够实现对淬火气流与工件的同步耦合计算。利用该体系模拟了不同淬火气压和进气方式下的齿毂高压气淬过程,分析了不同工艺方案下齿毂的组织成分、硬度以及畸变,确定了2.0 MPa、下方单向进气的工艺方案,模拟结果满足齿毂性能要求。

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20Cr2Ni4A钢齿圈压力淬火过程的温度场模拟

陈建文, 袁伍丰, 邹伟, 刘克, 欧阳雪枚, 王鑫铭

金属热处理 2023, 48 (5): 145-150. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.05.023

摘要（29）

PDF （3573KB）（23）

基于20Cr2Ni4A钢齿圈在不同流量下进行压力淬火过程中冷却曲线的试验测定和对应换热系数的计算,开展有限元数值模拟,得到不同流量组合对齿圈压力淬火冷却过程温度场分布的影响规律。结果表明,189~1136 L/min流量对应的换热系数均呈现随温度下降先增大后减小的变化趋势,且随着流量的增大,换热系数的最大值随之增大。4组具有代表性的流量组合中,采用慢-快-快的流量组合能更好地减小齿圈内外温差。对比测温结果发现,模拟结果与试验数据吻合良好,建立的压力淬火温度场模型可靠,可为压淬工艺的优化提供理论指导。

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基于分段热边界的杆件连续淬火过程的数值模拟

何浩平, 王发展, 荆烁文, 许正昊, 黄克鹏

金属热处理 2022, 47 (10): 263-269. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2022.10.045

摘要（26）

PDF （652KB）（19）

提出了一种针对连续淬火过程数值模拟的分段热边界方法,并得出了模型分段判据。以30CrNi3MoV钢多孔杆件为例,采用MARC软件对其进行了水淬模拟,得到了温度场、应力场、组织分布比例与硬度场。模拟结果表明,分段热边界法较整体热边界淬火模拟更符合实际工况,且工件内部温度随入水深度的增加而降低,工件应力由工件前端向后端衰减;淬火后的表面硬度为51.9~53.7 HRC,心部硬度为36.8 HRC,其与工件实际淬火后的硬度差最大不超过10%;孔偏向中心的畸变量为0.18~0.20 mm,工件长度的畸变量为1.85 mm,孔和工件的畸变量相差在5%以内。该结果验证了分段热边界方法的准确性。

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42CrMo钢输出法兰感应淬火的数值模拟及验证

王伟, 张文, 赵建森, 朱百智, 米艳军, 江红兵, 胡成飞

金属热处理 2023, 48 (2): 242-246. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.02.038

摘要（22）

PDF （534KB）（31）

基于电磁-热-组织-应力耦合模型,采用数值模拟研究了42CrMo钢输出法兰感应淬火过程中的温度、组织和应力的变化规律,同时采用硬化轮廓对比和硬度检测验证了模拟的可靠性。研究表明,在加热阶段,输出法兰圆弧过渡区的上、下尖角比中间位置先到达奥氏体化温度,感应区域温度到达材料居里点后加热效果逐渐减小;随着温度升高,法兰表面的组织由原始组织向奥氏体组织转变;法兰表面应力在加热阶段为压应力状态,加热开始阶段迅速增大,随着内部温度升高逐渐减小;在淬火阶段,温度迅速降低,表层奥氏体快速转变成马氏体,表层处应力经过短暂拉应力时刻,然后转变成压应力(轴向、径向和切向应力都为压应力),其中径向压应力最大,约为460 MPa。

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筒节淬火界面换热系数求解方法对比

蒋竹凌, 张万良, 夏彬

金属热处理 2023, 48 (10): 279-284. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.043

摘要（20）

PDF （3168KB）（21）

以压力容器筒节为研究对象,基于中空圆柱热传导差分方程,采用温差直接法和温度迭代法,建立换热系数求解的数学模型。根据筒节的实测冷却曲线,通过非线性温度迭代法和温差直接法求解界面换热系数随淬火时间变化曲线,模拟筒节试件淬火过程温度场,对比试验值与两种方法模拟值的误差,验证温差直接法的可靠性,并比较温度迭代法与温差直接法的差异。结果表明,两种方法的温度模拟结果误差都在18%以内且差距不大,但温差直接法的准确性优于温度迭代法。

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X80钢管道焊接致氢富集及热处理数值模拟

薛景宏, 白晨旭

金属热处理 2023, 48 (10): 285-290. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.044

摘要（19）

PDF （3193KB）（20）

为了探究焊后热处理对焊接残余应力及氢扩散的影响,采用Abaqus软件建立含六层环焊缝的X80钢管道模型,进行温度场、应力场和氢扩散耦合分析。结果表明,焊接产生的残余应力主要集中在焊缝区和热影响区,Mises等效应力峰值为580 MPa,已接近管材的屈服强度。管道材料内氢浓度沿着径向和轴向分布不同,但均与静水应力的分布规律相似。输氢管道焊后热处理的效果明显,可显著降低焊接残余应力、静水应力,从而降低氢富集浓度,减少焊缝处可能的氢脆现象发生。

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ECAE法制备铜铝双金属复合棒材数值模拟与试验研究

张翔, 王晓溪, 王海波, 张飞, 石凤健

金属热处理 2023, 48 (10): 291-296. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.10.045

摘要（18）

PDF （2623KB）（28）

利用Deform-3D有限元软件对铜铝双金属复合棒材室温4道次B_C路径ECAE变形过程进行模拟,研究了金属流动、挤压载荷、等效应变以及平均应力的分布及变化规律;并在自行设计的模具上进行了试验验证,成功制备出铜铝双金属复合棒材,对变形材料进行了物理网格试验及组织性能测试。结果表明,ECAE工艺下铜铝双金属复合棒材内部存在剧烈剪切变形区,复合坯料由不稳定变形逐渐过渡为均匀协调变形,材料内部处于理想的三向压应力状态,静水压力较高,界面处金属结合紧密。4道次ECAE挤压后,铜铝双金属复合坯料整体变形相对均匀,平均累积等效应变量为4.49。随着挤压道次的增加,载荷峰值不断增加,同时复合坯料内部显微硬度不断升高,但包覆层增幅大于芯部材料。

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热压工艺对SiC_f/Ti复合材料界面反应层生长影响的数值模拟

唐洪武, 张晓敏, 赵志鹏, 张恒嘉

金属热处理 2023, 48 (2): 232-241. doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2023.02.037

摘要（16）

PDF （542KB）（24）

提出一个热-力-扩散-反应强耦合相场模型来研究热压烧结制备工艺对连续碳化硅纤维增强钛基复合材料中金属间化合物生长规律的影响。模拟结果表明,在两种不同温度下各个界面反应层(Ti₃SiC₂/Ti₅Si₃C_x/Ti₅Si₃C_x+TiC/TiC)的厚度生长与试验值吻合较好。增大外加压力能促进界面层厚度的生长,但对其中抗拉强度最低的Ti₅Si₃层的生长起显著的抑制作用,同时使各界面反应层由周向拉应力状态逐渐转变为压应力。温度的升高使断裂韧度最大的Ti₃SiC₂层厚度增大,但也使总界面层和Ti₅Si₃层的厚度增加。因此,在制备工艺上适当增加压力并选择合适的温度,得到厚度适宜的界面反应层的同时,尽可能使Ti₅Si₃层变薄和Ti₃SiC₂层变厚是提高SiC_f/Ti复合材料力学性能的重要途径。

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