第十五章熱處理模擬

1、第十五章 熱處理本章導(dǎo)讀金屬材料的熱處理通常是指將材料加熱到相變溫度以上發(fā)生相變并保持一定的時(shí)間，再施以冷卻再發(fā)生相變的工藝過程。通過這個(gè)相變與再相變，材料的內(nèi)部組織發(fā)生了變化，因而性能發(fā)生變化。機(jī)床、汽車、摩托車、火車、礦山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通過熱處理工藝改善其性能。為保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命，通常都要將重要的機(jī)械零件進(jìn)行熱處理，例如據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，在機(jī)床制造業(yè)中有60%70%的零件要進(jìn)行熱處理，汽車和拖拉機(jī)制造業(yè)中有70%80%的零件要進(jìn)行熱處理，工磨具及滾動(dòng)軸承制造業(yè)中則100%要進(jìn)行熱處理。而且，只要選擇的金屬材料合適，熱處理工藝得當(dāng)，就能使機(jī)械零件的使用壽命

2、成倍、甚至十幾倍地提高，起到事半功倍的效果。因此，熱處理是機(jī)械零件和磨具制造過程中的關(guān)鍵工序，是機(jī)械工業(yè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)技術(shù)，對(duì)于提高和控制材料的性能。充分發(fā)揮材料的性能潛力，節(jié)約材料，減少能耗并增加產(chǎn)品的可靠性，延長產(chǎn)品的使用壽命，提高生產(chǎn)單位經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的意義。國際工業(yè)界公認(rèn)熱處理技術(shù)的先進(jìn)程度是保證機(jī)械制造技術(shù)先進(jìn)與否和保證產(chǎn)品質(zhì)量的最關(guān)鍵因素。DEFORM-3D中的熱處理模塊可以模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等熱處理工藝過程，能夠預(yù)測(cè)硬度、晶粒組織成分、扭曲和主要元素含量，并且有專門的材料模型用于蠕變，相變，硬度和擴(kuò)散分析，同時(shí)可以分析材料晶相、應(yīng)力應(yīng)變，以及每種鏡像的彈性、

3、塑性熱和硬度屬性等。15.1 問題分析本案例是一個(gè)斜齒輪的熱處理工序，零件如圖15-1所示，鑒于該零件的周期對(duì)稱特點(diǎn)，這里取半個(gè)齒進(jìn)行分析，如圖15-2所示。圖15- 1 齒輪圖15- 2 半齒5個(gè)熱處理工序如下：1) 550預(yù)熱半小時(shí)（1800s）；2) 850滲碳2小時(shí)（7200s）；3) 100油浴淬火20分鐘（1200s）；4) 280回火1小時(shí)（3600s）；5) 空氣中冷卻1小時(shí)（3600s）。15.2 問題建立15.2.1 建立一個(gè)新問題雙擊DEFORM-3D圖標(biāo)，進(jìn)入DEFORM-3D主窗口，單擊【New Problem】按鈕，選擇【Heat treatment wizard】

4、.如圖15-3所示。點(diǎn)擊【Next>】指定問題存儲(chǔ)路徑。點(diǎn)擊【Next>】，輸入問題名稱GearHT，單擊【Finish】完成新問題的建立?；蛘咴谶M(jìn)入DEFORM-3D主窗口后可以直接單擊左側(cè)Pre Process欄的Heat Treatment，輸入問題名稱GearHT，單擊【Next>】。圖15-3 選擇模塊15.2.2 初始化進(jìn)入初始化界面，選擇公有制單位SI，勾選【Deformation】（變形）、【Diffusion】（擴(kuò)散）、【Phase transformation】（相變），單擊【Next>】。如圖15-4所示。圖15-4 初始化15.2.3 導(dǎo)入幾何體

5、進(jìn)入Geometry界面后，選擇【Import from a geometry, .KEY or .DB file】，如圖15-5所示，單擊【Next>】，導(dǎo)入安裝路徑SFTCDEFORMv10.23DLABS的3DTOOTH文件。導(dǎo)入的零件如圖15-6所示。圖15-5 導(dǎo)入幾何體模型圖15-6 幾何體模型15.2.4 生成網(wǎng)格在Generate Mesh界面，設(shè)置（Unstructured mesh）非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量為8000，設(shè)置表面結(jié)構(gòu)圖層為1，單擊【Initialize layer thickness】,設(shè)置涂層厚度為0.005。單擊【OK】退出，單擊【Next>】。如圖15

6、-7,、15-8所示。圖15-7 生成網(wǎng)格圖15-8 涂層厚度15.2.5定義材料進(jìn)入Material界面，選擇【Import from .DB or . KEY files】單擊【Next>】。如圖15-9所示。找到安裝路徑SFTCDEFORMv10.23DLABS的Demo_Temper_Steel.KEY文件，單擊打開進(jìn)入如圖15-10所示界面，單擊【Load】按鈕完成材料定義。圖15- 9定義材料圖15-10 材料15.2.6工件數(shù)據(jù)初始化在Workpiece initialization界面中，工件初始溫度（Temperature）選擇均勻（Uniform），數(shù)據(jù)設(shè)為20；工件

7、碳原子（Atom）含量選擇均勻（Uniform），數(shù)據(jù)設(shè)為0.2；工件相的體積分?jǐn)?shù)（Phase volume fraction）選擇均勻（Uniform），并將珠光體+貝氏體（Pearlite+Banit）的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，其他相均為0。單擊【Next>】。如圖15-11所示。圖15- 11工件數(shù)據(jù)初始化15.2.7 定義介質(zhì)在Medium Details界面中，定義幾種不同的介質(zhì)和相關(guān)熱傳導(dǎo)區(qū)域。1）在左側(cè)的Media欄中，單擊【Rename】按鈕，將第一種介質(zhì)命名為Heating Furnace，如圖15-12所示，單擊【OK】按鈕。在右側(cè)的Heat transfer coeffi

8、cient欄中，熱傳導(dǎo)區(qū)域（Zones）設(shè)為默認(rèn)（Default）將熱傳導(dǎo)系數(shù)（Heat transfer coefficient）設(shè)為常數(shù)（Constant）0.1，如圖15-13所示。圖15-12 定義介質(zhì)名稱圖15-13 設(shè)置介質(zhì)參數(shù)2）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質(zhì)并命名為Carb.Furnace。如圖15-14所示。在右側(cè)的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導(dǎo)區(qū)域（Zones）設(shè)為默認(rèn)（Default）將熱傳導(dǎo)系數(shù)（Heat transfer coefficient）設(shè)為常數(shù)（Constant）0.05。在輻射（Radiation）欄中，將便面反應(yīng)擴(kuò)

9、散系數(shù)設(shè)為常數(shù)（Constant）0.0001如圖15-15所示。圖15-14 定義介質(zhì)名稱圖15-15 設(shè)置介質(zhì)參數(shù)3）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質(zhì)并命名為Oil，單擊【OK】退出。如圖15-16所示。在右側(cè)的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導(dǎo)區(qū)域（Zones）設(shè)為默認(rèn)（Default）并將熱傳導(dǎo)系數(shù)（Heat transfer coefficient）設(shè)為常數(shù)（Constant）5.5。取消選中輻射（Radiation）。如圖15-17所示。圖15- 16定義介質(zhì)名稱圖15-17設(shè)置介質(zhì)參數(shù)單擊Heat transfer coefficient欄中的新

10、增熱傳導(dǎo)區(qū)域（Zones）按鈕，命名為Zone #1。通過左下角的表面元素拾取窗口的 和 按鈕，選取工件底面。設(shè)置該面的熱傳導(dǎo)系數(shù)（Heat transfer coefficient）為與溫度有關(guān)，單擊按鈕輸入表1中數(shù)據(jù)，單擊【Apply】按鈕應(yīng)用，單擊【OK】按鈕完成數(shù)據(jù)設(shè)置。如圖15-18、15-19所示。TemperoratureConvection Coefficient202.12502.85006.87504.010002.5表1圖15-18 選擇熱傳導(dǎo)店面圖15-19 熱傳導(dǎo)系數(shù)曲線4）單擊Media欄中的按鈕，新增一種介質(zhì)并命名為Air，單擊【OK】退出。如圖15-20所示。在

11、右側(cè)的Heat transfer coefficient欄中，熱傳導(dǎo)區(qū)域（Zones）設(shè)為默認(rèn)（Default）并將熱傳導(dǎo)系數(shù)（Heat transfer coefficient）設(shè)為常數(shù)（Constant）0.02。如圖15-21所示。單擊【Next>】完成介質(zhì)定義。圖15- 20 定義介質(zhì)名稱圖15-21 設(shè)置介質(zhì)參數(shù)15.2.8 工序定義在Schedule界面中，連續(xù)單擊按鈕5此，輸入5個(gè)階段工序計(jì)劃：1) 550預(yù)熱半小時(shí)（1800s）；2) 850滲碳2小時(shí)（7200s），將碳原子（Atom）含量設(shè)為0.8；3) 100油浴淬火20分鐘（1200s）；4) 280回火0.5小時(shí)

12、（1800s）；5) 空氣中冷卻1小時(shí)（3600s）。輸入后如圖15-22所示，單擊【Next>】完成工序定義。圖15-22 熱處理工序定義15.2.9 設(shè)置模擬參數(shù)在Simulation Control界面中，選擇自動(dòng)（Auto），并將步驟定義（Step Definition）中的每步溫度變化量設(shè)置為2，其他保持默認(rèn)參數(shù)。在對(duì)稱面定義欄中單擊按鈕兩次,增加兩個(gè)對(duì)稱面Sym. Plane #1和Sym. Plane #2。選中Sym. Plane #1，通過表面元素拾取窗口的按鈕選擇C面為對(duì)稱面Sym. Plane #1，D面為對(duì)稱面Sym. Plane #2。如圖15-23所示。另外，

13、由于工件模型為彈塑性變形，需要定義固定節(jié)點(diǎn)邊界條件。因此需要選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為邊界條件。對(duì)于此模型，對(duì)稱面C，D已經(jīng)提供了X，Y方向和旋轉(zhuǎn)約束。因此只需定義Z方向的約束。所以選擇V_z=0，利用表面元素拾取窗口（Pick Surface Elements）的按鈕，選擇如圖15-24所示節(jié)點(diǎn)。單擊【Finish】按鈕，彈出圖15-25所示詢問對(duì)話框。單擊【OK】完成問題新建。單擊按鈕退出熱處理模塊，進(jìn)入到主窗口。圖15- 23圖15- 24圖15- 2515.3 模擬和后處理在主窗口中，單擊或者單擊Simulator欄中的Run選項(xiàng)開始模擬，如圖15-26所示。圖15- 26運(yùn)算結(jié)束后，選擇DEFORM-3D Post選項(xiàng)，進(jìn)入后處理模塊。溫度如圖15-27