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XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書
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河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
翻譯譯文：
大尺寸塑料模具鋼AISI.P20鋼的淬火過程設(shè)計
大尺寸的AISI.P20鋼，用于厚度不小于200mm的塑料模具鋼，為獲得一定的淬硬層，適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^程是十分關(guān)鍵的。本文就AISI.P20鋼的不同熱處理過程如油淬，直接水淬，水淬前預(yù)冷和自我回火，做了計算機模擬的數(shù)字調(diào)研，對數(shù)學(xué)模型熱處理過程細節(jié)做了討論，包括局部熱傳遞的不同反應(yīng)式，熱物理性質(zhì)，潛熱，熱傳遞系數(shù)和相變計算，結(jié)果顯示；預(yù)冷水淬和自我回火，不僅能有效地防止淬裂，而且比油淬獲得更深的淬硬層
關(guān)鍵詞：計算機 模擬，熱處理過程，AISI.P20鋼，塑料模具
1. 前言
AISI.P20鋼，塑料模具鋼，通常淬硬前硬度值大約30~36HRC。P20鋼應(yīng)該有均勻的硬度，在同一截面上，硬度值最大不超過3HRC，這就要求共析鐵素體盡可能少。AISI.P20鋼： 0.28%~0.40%C,0.20%~0.80%Si,0.60%~1.00%Mn,1.40~2.0%Cr,0.30%~0.553%Mo,<0.03%S,<0.03%P。油淬時鋼的最大厚度不應(yīng)超過150mm。厚度超過150mm的大尺寸的鋼，為獲得一定的淬硬層，適當(dāng)?shù)臒崽幚磉^程是非常關(guān)鍵的。然而熱處理過程是包括熱傳遞現(xiàn)象，冶金性，力學(xué)現(xiàn)象等復(fù)雜的過程。它很難或者說不可能用分析的方法來正確而有效地描述所有的物理現(xiàn)象。所以，在過去，熱處理過程的建立只是根據(jù)經(jīng)驗，而缺乏科學(xué)依據(jù)。近年來，計算機模擬使其有了巨大的進步。進行溫度與相度應(yīng)力的耦合。3D非線性有限元素分析，相變動力的計算。對急劇轉(zhuǎn)變邊界條件的處理等。這些計算結(jié)果為引導(dǎo)制造業(yè)的計算機模擬，提供了一些基本法則。本文中，分析由計算機模擬的AISI.P20鋼的不同熱處理過程，提出預(yù)冷水淬和自我回火
2. 熱處理過程的數(shù)學(xué)模型
2.1熱傳遞過程中，局部不同的反應(yīng)：
大尺寸鋼在熱處理過程中的導(dǎo)熱量，可以通過3D模型局部不同反應(yīng)方程計算出來
(1)
邊界條件和初始條件為：
是導(dǎo)熱性， 是比熱容，q是內(nèi)熱源是垂直于表面的溫度梯度，是表面溫度，是淬火介質(zhì)溫度， n是傳熱系數(shù)。邊界條件與初始條件作為鋼的表面溫度的函數(shù)輸入。
在分析瞬時溫度時，3D有限元分析法解傳熱方程用前一個反應(yīng)式，當(dāng)時間范圍是離散的，應(yīng)用后向差分格式。
這里的代表模具導(dǎo)熱率，代表模具熱容率，是供熱介質(zhì)。
2.2. 熱物理性質(zhì)：
圖1 在AISI P20鋼上不同微觀組織的熱物理性質(zhì)：（a）導(dǎo)熱率（b）比熱（c）密度（M=馬氏體，B=貝氏體，P=珠光體，F(xiàn)=鐵素體，A=奧氏體）
上述圖1顯示：熱物理性質(zhì)是相成分和溫度的函數(shù)，可表示為
（5）
這里的代表，是第k相的體積分?jǐn)?shù)，k分別表示為A（奧氏體），M（馬氏體），B（貝氏體），P（珠光體），F(xiàn)（共析鐵素體）
2.3. 潛熱
由相變產(chǎn)生的內(nèi)熱源的密度由（6）計算
（6）
這里的是當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變的時候，每單位奧氏體與每單位第k相的焓差。如表-1所示。是第k相在中的體積分?jǐn)?shù)。
2.4. 熱傳遞系數(shù)
當(dāng)在空氣中冷卻時，綜合的熱傳遞系數(shù)包括：輻射傳遞系數(shù)和對流轉(zhuǎn)移系數(shù)，即
（7）
輻射傳遞系數(shù)，表示為：
（8）
這里是表面熱輻射系數(shù)，本文中取為0.6，是Stefan-Boitzmann常數(shù)，=5.768
在空氣中冷卻的對流轉(zhuǎn)移系數(shù)的經(jīng)驗公式可近似地表述為
（9）
油和攪動的水的熱傳遞曲線是反向熱傳遞方法取得(IHTM)。首先，從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取得冷卻曲線；這個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在不同位置有平探頭，尺寸120mm120mm20mm，如圖2所示。然后，這些冷卻曲線輸入基于ZHTM的有限差系統(tǒng)。從而計算出熱傳遞系數(shù)。圖3所示是計算之中和攪動的水的熱傳遞系數(shù)。用的槽車，尺寸為4.5m7.5m4m。
2.5相變計算
在熱處理中的相變通常分為擴散型相變和元擴散型相變（馬氏體轉(zhuǎn)變）
對擴散型相變，持續(xù)的冷卻曲線可能被打斷，在極短的時間間隔的恒溫區(qū)。孕育期采用的是Scheil可加性法則來確定，也就是標(biāo)志相轉(zhuǎn)變開始時間John-Mchl-Avraml公式用來確定潛伏時間和評定微觀組織的體積分?jǐn)?shù)
Scheil可加性法則：
（10）
John-Mehl_Avarami反應(yīng)式：
（11）
潛伏時間：
（12）
潛伏期體積分?jǐn)?shù)：
（13）
真正的體積分?jǐn)?shù)：
（14）
這里表示在一定T下的潛伏期，表示在一定溫度下短暫的等溫時間。b和n是兩個常數(shù)，它們由TTT圖上是新相體積分?jǐn)?shù)從1%和99%的兩條不同曲線得到。和是新相在 i-1和i中的體積分?jǐn)?shù)，是奧氏體在i時間的體積分?jǐn)?shù)新相轉(zhuǎn)變開始的殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)
對馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體的數(shù)量僅僅是溫度的函數(shù)，其體積分?jǐn)?shù)由Koistinen-Mar.burger法則得出：
（15）
這里是馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。是一個常數(shù)，對于AISI.P20鋼。
3. 結(jié)果與討論
商用FE軟件，MSC.Marc和用戶定義的子程序用于分析AISI.P20鋼熱處理過程，大尺寸的P20鋼1700mm1000mm460mm.由于對稱性，由一個高度的幾何條件需要考慮，通過試探法來確定網(wǎng)孔的尺寸，圖5所示用膨脹計測試的AISI.20鋼的TTT圖。用膨脹計為了便于熱處理過程中相轉(zhuǎn)變的計算。
3.1油淬
油通常作為AISI.P20鋼的淬火介質(zhì)，來避免在熱處理過程中的淬裂額，圖3所示油的熱傳遞系數(shù)，在860奧氏體后。然后大尺寸的鋼被油淬，圖6所示為油淬后沿中心軸的計算的微觀組織分布狀態(tài)
如圖6示，沒有發(fā)現(xiàn)馬氏體，貝氏體也很薄，從鋼表面大約10mm，深處珠光體開始出現(xiàn)。當(dāng)鐵素體體積分?jǐn)?shù)達到峰值12.5%時，從表面大約50mm深至中心的主要相是珠光體，因此，對大尺寸的P20鋼，油淬是不合適的。
3.2 直接水淬
因為油淬的淬硬層太薄，所以攪動的水淬來代替油，在860，奧氏體化后，鋼被水淬至室溫，圖7所示是大尺寸的模具鋼淬火后沿中心線計算的微觀組織分布狀態(tài)。
從圖3（b）中可以看出攪動的水具有很高的冷卻能力，當(dāng)鐵素體出現(xiàn)在鋼表面100mm深時，珠光體出現(xiàn)在表面下30mm深處。在中心鐵素體體積分?jǐn)?shù)增加不足10%，所以，對于想獲得更合適的微觀組織的大尺寸鋼，水淬是合適的
雖然，通過直接水淬，能夠獲得較好的組織分布。但是，在實際熱處理中，淬火裂紋總是發(fā)生。裂紋通常發(fā)生在鋼的角落。所以，對于更合適的熱處理過程，需要進一步的研究。
3.3 水淬+空氣預(yù)冷
從圖8中可以看出，在直接水淬過程中的裂紋和角落周圍的馬氏體轉(zhuǎn)變相關(guān)。為了克服這個問題，本文中，將設(shè)計和模擬新的熱處理過程—水淬+空氣預(yù)冷。
圖9所示是空氣預(yù)冷1200S后的珠光體分布狀態(tài)。從圖9（a）中可以看出，預(yù)前空冷合適的時間，角落的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最終降低了在后續(xù)的水淬過程中產(chǎn)生裂紋的傾向。圖9 b,e,d所示在空氣預(yù)冷過程中非常薄的珠光體層在角落周圍，在鋼的大部分區(qū)域，奧氏體沒有分解，在后續(xù)的水淬過程中將持續(xù)分解，和直接水淬一樣。
在大尺寸P20鋼的實際熱處理過程中，證明，空氣預(yù)冷能有效地避免淬硬裂紋，但是，一些小的裂紋仍然產(chǎn)生。這些裂紋位于表面附近。它們是在水淬過程中馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的。為了使大尺寸AISIP20鋼的熱處理過程最佳化。本文將設(shè)計和模擬另一個熱處理過程：空氣預(yù)冷+水淬+自我回火。
3.4 空氣預(yù)冷的水淬
圖11所示是沿中心線的不同位置的冷卻曲線。熱處理過程包括4個階段：預(yù)冷1118s；第一次水淬3892s；第一次空冷201s；第二次水淬2380s
圖11所示為模擬結(jié)果。第一次水淬后，表面溫度接近100，低于 點，所以，馬氏體開始轉(zhuǎn)變。如果繼續(xù)在水中冷卻，鋼很容易產(chǎn)生淬火裂紋。此時，鋼從水中驅(qū)除進入第一次空冷，從中心的熱傳遞將增加表面溫度在200以上。因此，轉(zhuǎn)變的馬氏體被回火，它的脆性降低，但是短暫的回火不會影響中心的冷卻速率。第二次水淬后表面溫度低于100中心溫度降低接近300。所以，鋼被取出后，放在空氣里，新的轉(zhuǎn)變的馬氏體和表面附近的貝氏體，類似于自我回火，這種方法有效于避免淬硬裂紋。用這個方法形成的組織狀態(tài)和直接水淬的形成組織狀態(tài)基本相同。
結(jié)論：
根據(jù)熱傳遞和微觀組織狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，大尺寸的塑料模具鋼的熱處理過程進一步研究。闡述了水能夠取代油，作為淬火介質(zhì)?？諝忸A(yù)冷的水淬加自我回火是理想淬火過程之一。
AISI P20鋼奧氏體化后第一次空冷直至角落周圍只有薄薄的一層珠光體，而這些角落是最容易產(chǎn)生淬火裂紋的地方。在后續(xù)的水淬過程中當(dāng)表面轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，鋼從水中轉(zhuǎn)至空氣中，即新形式的馬氏體自我回火。模擬結(jié)果清楚的顯示了預(yù)冷和自我回火不會降低淬硬深度。其微觀組織狀態(tài)與直接水淬得到的組織相似，但是后者更能有效阻止淬火裂紋，比油淬能獲得更深的淬硬層。
致謝：
此設(shè)計項目是由中國科技部支持（NO.MT1：17）作者誠摯的感謝曾經(jīng)幫助過的老師和同學(xué)，
注： 15