ANSYS钢铁零件淬火热力学耦合有限元分析(3)

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在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止的。由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基础上，消除冷裂纹的手段之一[4]。淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适，对于过大的零件，淬火深度不够，渗碳也存在同样问题，此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。如，按接受处理的部位，有整体、局部淬火和表面淬火；按加热时相变是否完全，有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢，该法又称亚临界淬火)；按冷却时相变的内容，有分级淬火，等温淬火和欠速淬火等。

1.2.3 淬火冷却方法

为了保证淬火效果，减少淬火变形和开裂，应该根据工件材料、大小和质量要求，选用不同的淬火冷却方法，常用的淬火方法有以下几种[5]。

（1）单介质淬火法

将奥氏体化的钢件放入一种淬火介质中连续冷却的删淬火方法，如碳钢水冷、合金钢油冷、弱大型碳钢件盐水冷却等。这种方法操作简单，生产率高，成本低，易实现自动化。但水淬内应力大，变形和开裂倾向大，而油淬常造成硬度不足等缺陷。

（2）双介质淬火法

将奥氏体化的钢件先浸入冷却能力强的介质中，冷却至300℃左右，立即取出后浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水冷后油冷，先水冷后空气冷却等。这种方法是马氏体转变在冷却能力较弱的介质中进行，产生的内应力小，减少变形和开裂，缺点是不易掌握在两种介质中的转换时间。

（3）马氏体分级淬火法

将奥氏体化的钢件先浸入温度在马氏体点(Ms)附近的液体介质中(盐浴或碱浴)，短时间停留，待其表面与。这种方法使工件内外温度基本一致，而马氏体转变是在空气中缓慢进行，有效地减小内应力，减少变形和开裂，而且硬度也比较均匀，所以其特别适用于形状复杂的工件淬火。但由于盐浴或碱浴冷却速度大，故只能适用于尺寸比较小的工件。

（4）贝氏体等温淬火法

将奥氏体化的钢件浸入温度在贝氏体转变温度区间(260～400℃)的盐(碱)浴中等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体，然后进行空冷。等温淬火不仅可以使钢件减少变形、组织均匀，而且具有较高的强度、硬度和韧性。所以适用于尺寸较小，形状复杂，硬度、强度较高而且有较高韧性要求的工、模具和耐磨件的淬火，但其生产周期长，效率较低。

（5）冷处理

钢件淬火冷却到室温后，继续在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺，称为冷处理。其目的是为了尽量减少钢中残余奥氏体而获得最大数量的马氏体，有利于提高钢的硬度和耐磨性，稳定工件尺寸。冷处理适合于要求高硬度，高耐磨性及对精度要求高的零件。

1.2.4 钢件淬火的温度场和应力场

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场[5]。它是时间和空间坐标的函数。温度T这个数量通常是空间坐标（x，y，z)和时间变量的函数，即T=(x，y，z，t)。这是三维非稳态（瞬态）温度场，在此温度场中发生的导热为三维非稳态（瞬态）导热。不随时间而变的温度场称为稳态温度场，即T=(x，y，z)，此时为三维稳态导热。对于一维和二维温度场，稳态时可分别表示为T=f(x)和T=f(x，y)，非稳态时则分别表示为T=f(x，t)和T=f(x，y，t) [6]。