一种新型材料淬火过程的数值模拟和实验研究

　　作为中国大陆第一家专业制造摩托车制动盘的企业，浙江隆中机械制造有限公司生产的摩托车制动盘大多采用Cr13系列材料.但是Cr13系列材料热处理后容易出现硬度不均匀、组织不稳定、易变性、耐蚀性降低等缺陷.

　　隆中公司与宝钢集团2008年共同开发了B410DB材料，它是在410型不锈钢的基础上控制碳和氮，加大锰含量，调整冶炼和轧制工艺而研发成功的一种摩托车制动盘专用材料.

　　该材料相当，其优点是淬火后不必进行回火即可获得稳定的组织.淬火过程是将工件加热至临界点或临界点以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度冷却得到相关组织的热处理工艺.淬火过程十分复杂，材料内部的温度、组织和应力相互作用、相互影响并且不断变化.

　　目前的发展趋势是用计算机数值模拟的方法来预测出金属的热处理过程.Bokota等[1]对感应加热和火焰加热两种热处理方法的组织场和残余应力进行数值分析，并通过TTT加热曲线和TTT冷却曲线计算得到相变过程中各相的百分比.Zhao等[2]研究了淬火对中碳轴承钢微观结构和机械性能的影响.

　　当然热处理数值模拟现状也存在诸多问题与难点，如微观变形机理难以预测宏观材料行为、相变塑性理论还未成熟[3]、对流传热系数复杂[4]、材料参数不完整[3]等.

　　本文针对这种新型摩托车制动盘材料，通过JMatPro软件得到了其性能参数，利用DEFORM软件建立了淬火过程的数值模型，并通过对某型号制动盘淬火过程温度场和组织场的实验研究，验证该数值模型的准确性.

　　1　新型材料

　　B410DBB410DB材料的化学成分质量分数和化学成分见表1.

　　由于是新型材料，材料参数不完整，没有经验值可寻.本文通过JMatPro得到材料性能，并进行相图分析.Saunders等[5]对JMatPro软件的功能进行了详细的说明，指出其可以克服现有方法的许多缺点，并得出精确结果.Guo等[6]应用JMatPro软件给出了多成分合金元素凝固过程相变时的物理性能和热物性性能，并指出改变合金元素成分值对其性能的影响.韩利战等[7]由JMatPro软件计算了X12CrMoWVNbN10-1-1铁素体耐热钢加热过程中各相的平衡转变温度及变化过程.

　　计算得到的B410DB材料性能见表2所示.

　　2　淬火过程数值模型

　　2.1　热传导控制方程

　　制动盘淬火过程属于瞬态非线性热分析，在冷却过程中制动盘与空气同时发生对流和辐射传热，且自身不同部位之间发生着热传导.当导热系数κ随温度变化时，导热微分方程直角坐标系中的表达式为[8]