42CrMo钢淬火数值模拟及试验验证

　　自从1938年W.E.Jominy用端淬试验法得出端淬曲线以来，人们对端淬曲线做了大量的研究工作。标准的端淬试验法成为目前用于测定材料淬透性最常用的方法，但对于42CrMo等淬透性良好的钢来说，使用水冷容易造成试样的应力集中甚至开裂，所以通常采用油冷。研究了对端淬试样进行喷油淬火试验时，某一瞬间工件各部分的温度变化、组织变化、硬度变化以及应力变化。

　　1　淬火过程数值计算

　　1.1　几何模型的建立

　　使用COSMAP的前处理软件FEPG.GID建立试样的三维有限元模型，试样长度为100mm，直径为25mm。对三维有限元模型进行有限单元网格划分，单元类型选用六节点的五面体单元，节点数为6110，网格数为10800。由于试样端部喷油变化比较剧烈，对端部网格进行了细分，为了节省计算时间，网格采用渐变式的划分，随着距喷油端距离的增加，网格也逐渐变疏，如图1所示为试样的有限单元模型的网格划分。

　　1.2　初始条件及边界条件设定

　　淬火冷却之前的加热过程是整体均匀透烧的过程，初始温度为均匀温度场，即保温温度为850℃，初始应为0。对42CrMo试样加热到850℃，保温15min，使工件内部温度均匀，碳及合金元素充分溶于奥氏体，并力求奥氏体均匀化。

　　传热过程一般可分为3个阶段，即膜沸腾、核沸腾和自然对流传热阶段。淬火件为导热体，传热形式是对流和辐射混合传热;因此看作第3类边界条件，即对流传热条件。利用淬火过程中的冷却曲线反求法求得42CrMo喷油淬火时与KR128油的传热系数，如图2所示。

　　2　模拟结果及试验验证

　　2.1　温度场模拟结果

　　如图3所示为42CrMo钢端淬试样冷却不同时刻的温度分布图。冷却100s时，冷端近表面处温度约为545K;冷却300s时，由模拟结果可以看出，随着距离顶端的距离越大，温度越高，顶端的最高温度约为1000K;当冷却到1100s时，试样总体已冷到室温。

　　2.2　组织场的模拟结果

　　如图4所示为42CrMo钢淬火过程中喷油冷却1100s时的试样组织分布云图。从组织分布上看，试样冷端马氏体量的体积分布最大值可达到98%，并且马氏体的体积分布随着距离冷端距离的增大而逐渐减少。由于42CrMo钢含Mo元素，使CCT曲线的珠光体转变区右移，如果冷却速度小于临界冷却速度，就很容易得到贝氏体;所以，淬火时能得到一定量的贝氏体。另外，随着距冷端距离的增大，珠光体类型组织逐渐增多。

　　2.3　应力场的模拟结果

　　如图5所示为试样应力场分布云图，上端面为拘束面。从外表面看，最大的拉应力为492MPa，位于约束面;最大的压应力为300MPa左右，位于距喷油端12mm处。喷油端受到约100MPa的压应力，距喷油端50mm处都受到拉应力。因为近喷油端快速冷却时，内部发生大量的马氏体转变和珠光体转变，组织转变的影响较大，近喷油端先转变成马氏体而膨胀;但由于受到其上部的牵制，将使近喷油端处产生压应力，而其上部产生拉应力。继续冷却，靠近喷油端温度降低，与其上部的温差不断增大，使近喷油端的拉应力迅速上升。