42CrMo钢热处理过程数值模拟研究

　　随着科学技术的不断进步，各种机械产品或者工程设备逐渐向高温、高压、高速和大型化的方向发展，机械零件承受复杂的交变载荷，工作条件越来越恶劣， 对材料的性能要求也越来越高。如何提高材料的力学性能以及如何优化传统的材料热处理工艺对机械制造企业来说是亟待解决的难题。由于计算机技术的迅速发展，热处理过程的数值模拟也随之成为一个举世关注的研究领域[1-5]，同时也是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。本文应用数值模拟技术对应用较为广泛且材料性能要求很高的42CrMo钢热处理过程进行分析，预测该材料在淬火、回火状态下的应力、组织、温度等场量的分布情况，从而指导实际生产，为优化热处理工艺、提高材料性能等提供依据。

　　1 热处理过程计算原理

　　热处理过程是温度场、组织场、应力场相互耦合的过程，耦合关系相当复杂，牵涉面也较广。试样在与冷却介质间不断换热的同时，试样内部也存在温差和热传导，使其组织、温度及应力分布不断发生变化。因此为了研究并模拟材料热处理过程，就要建立热传导的数学模型及导热过程的本构关系。热传导的数学模型主要有热传导控制方程和特定问题的定解条件等。热传导控制方程大都以能量守恒定律和傅立叶(Fourier)定律为基本依据而导出，定解条件也就是偏微分方程适合的某些特定条件[6]，将热传导偏微分方程和相应的已知定解条件结合在一起就构成了热处理过程的定解问题[7]。介于热处理过程中复杂的非线性问题，本文采用专业软件DEFORM-3D热处理模块分析该复杂问题。

　　2 热处理过程模拟计算

　　2.1 研究对象及性能参数

　　实验用42CrMo钢的化学成分见表1。采用JD200-3型电子天平、DCY-3(动态)弹性模量测定仪、ModelTC-7000热物性参数测定仪等设备对该成分的42CrMo材料热物性能参数进行测定， 测定结果见表2。

　　2.2 有限元模型的建立

　　采用DEFORM有限元软件对42CrMo钢试样的温度场、应力场及组织场进行数值模拟。模拟试样采用准25mm×60mm的圆棒料。由于试样是圆柱体，最后形成的温度场、应力场以及组织场都是轴对称的，因此，取试样轴向的1/4作为求解域求解，同时在模拟过程中考虑相变热对温度场的影响。模拟采用的工艺过程为：将试样加热至860℃保温1h，完全奥氏体化后，油冷至室温;升温至580℃，保温1.5h，油冷至室温。

　　3 模拟结果与分析

　　3.1 温度场的模拟结果

　　图1(a)为淬火开始阶段的温度场分布图。淬火试样冷却至1.25、2.5、5、10和55s共5个时刻试样沿半径方向不同位置P1(心部节点)～P5(表面节点)的温度分布曲线如图1(b)所示。可以看出，在冷却1.25s 时，试样表面的冷速远远大于心部，很容易使试样产生较大的瞬时应力。随冷却时间的延长，整个试样的温度均降低，且试样心部与表面的温差逐渐减小，温度分布趋于平缓。