摘    要：帶內螺紋的精密零件在經歷淬火-低溫回火的熱處理后發生了輕微的畸變，但是對于精密工程而言(如火箭發動機等),這些輕微畸變將會導致后續在裝配過程出現無法裝配的嚴重后果。使用有限元軟件及其子程序，考慮了應力影響相變和相變塑性，計算得到了熱處理過程中的溫度場、應力應變場，以及熱處理后的殘余應力分布和零件畸變，該畸變與生產過程中的裝配結果所顯示的畸變基本一致。針對裝配困難問題，結合數值模擬分析結果，提出了一些改進生產工藝控制零件畸變的建議。

關鍵詞：內螺紋;熱處理畸變;淬火-回火;有限元仿真;

熱處理對于鋼制零件的加工來說是一個非常重要的最終加工工藝，被用來改進材料的力學性能[1]。熱處理之后，材料的性能會發生變化， 零件也可能產生畸變。在工業生產領域，對于測量這些畸變，花費了大量人力財力，提出了許多方法，但是目前仍很難準確地預測熱處理畸變。有限元仿真方法通過基于物理模型的數值計算可以給出每一個時刻的應力應變場、溫度場和組織場，給企業科研人員的生產決策提供理論基礎，在熱處理研究中越來越成為強有力的分析工具。

控制零件的性能和形狀是熱處理的首要目標。當前很多學者對熱處理過程的有限元分析做了大量的工作。日本的Gur and Tekkaya開發了有限元新模型用來計算軸對稱零件的溫度場和應力應變場[2]。Caner Simsir等使用三維有限元軟件模擬了淬火過程，并且研究了考慮殘余應力對軸對稱零件熱處理過程數值計算的影響[3]。Fukumoto等[4]通過ABAQUS軟件對螺旋齒輪的滲碳和淬火過程的畸變進行了研究。Lee等[5]研究了熱處理過程的力學性能變化，并使用ABAQUS軟件對HSLA鋼的熱處理過程進行了有限元仿真。Silva等[6]設計試驗測量了AISI 4140 C鋼的環形零件，研究了熱處理工藝對畸變的影響，并使用DEFORM-HT模塊的計算結果驗證了試驗結果。Lee等[7]對低碳鋼的淬火畸變做了大量研究，基于ABAQUS開發了相關UMAT和UMATHT子程序。Brinksmeier等[8]對齒輪零件的熱處理畸變最小化做了大量試驗和數值仿真。

本文所研究的帶內螺紋接頭零件，在熱處理之后的裝配過程中出現安裝困難的現象。一些零件存在無法裝配螺栓的現象，一些零件存在螺栓進入一半后無法繼續裝配的現象。上述現象說明螺紋的進口處和中間部位發生了較大的畸變，導致安裝困難。本文使用DANTE?軟件對淬火-回火過程進行了數值模擬，得到了應力應變場、溫度場和組織場，以及熱處理之后的變形場(位移場)。

1 熱處理過程的數值建模

熱處理過程是一個多物理場多尺度下的各種物理現象的耦合，它包含熱傳導、相變和應變[9]。所有上述的現象均需要在仿真模型中考慮。

1.1 溫度-應力-相變耦合模型

在熱處理過程中，存在3個物理場，如圖1所示。這些相互作用包含溫度和相變、溫度和應力應變、應力應變和相變3對耦合關系。

圖1 溫度-相變-應力/應變的相互作用 

Fig.1 Interaction between temperature-phase change-stress/strain

溫度和相變的關系：溫度變化是影響相變的主要因素，溫度的變化決定了相變的進程，而相變釋放潛熱也會影響溫度場。

溫度和應力應變的關系：溫度變化引起材料的體積膨脹或收縮，淬火中工件各部位由于加熱或冷卻不均產生溫度梯度，熱膨脹不均導致了熱應力；材料在應力作用下發生塑性變形，應力做功對溫度場也有影響，不過在熱處理過程中變形塑性功產生的熱量很少，可以忽略不計。

應力應變和相變的關系：淬火過程的內應力帶來相變塑性變形，引起工件內部應力和應變；應力對相變動力學也有影響。

應力與相變的交互作用有兩種類型，冶金交互作用(應力對相變動力學和相變產物形態的改變)和力學交互作用(主要涉及相變塑性)。應力提供附加的驅動力影響到相變的進程。相變塑性變形使相變中新相、母相的變形相協調，通常能使鍛件內應力降低，對應力場的演化影響非常明顯。大鍛件淬火中產生較大的內應力，因此在進行應力場的數值模擬時更需要考慮應力和相變的耦合作用。

應力誘導相變和相變塑性在拉、壓情況下的數值是不同的。相變塑性對拉、壓相對不太敏感，但應力誘導相變對應力狀態較為敏感。由對淬火應力場的計算可知，大型鍛件中發生相變前，內應力主要是溫度梯度導致的熱應力；在相變進行過程中，鍛件各部位內應力變化由相變應力起主導，相變對內應力的影響遠大于溫度梯度導致的熱應力。

1.2 相變動力學及相變塑性

切變型相變又稱馬氏體相變[10],在沒有外力的情況下，人們習慣用Koistinen-Marburger公式來描述相變動力學的變化，即

ζ=1-exp[-α(Ms-T)] (1)

式中：ζ為新相的生成量；T為當前溫度；Ms為馬氏體相變起始點；α為特定反應條件下的相變動力學參數，反映相變進展速率。

Koistine和Marburger認為靜水壓力增加使CCT曲線和TTT曲線的位置向低溫區和時間延長(向右)方向移動，從而使馬氏體開始轉變溫度Ms降低。

對于馬氏體相變，Inoue對Koistinen-Marburger做了修改，得到公式

ζ=1-exp[-α(Ms-T)-ψ(σ)] (2)

式中：ζ為馬氏體的生成量；T為當前溫度；Ms為馬氏體開始轉變溫度；ψ(σ)為應力的作用函數。

材料在應力作用下發生相變時，其變形量與無應力狀態下有顯著不同。盡管應力小于當時條件下的屈服強度，發生組織轉變時常伴有不可逆轉的塑性變形，亦即在組織轉變過程中伴生的塑性變形，稱之為相變塑性。Greenwood-Johnson模型認為相變塑性是由弱相的塑性變形產生的，其大小取決于弱相的屈服強度和相變所產生的體積膨脹。

目前數值模擬計算相變塑性常采用εtp=Kσf(ζ)。式中：εtp是相變塑性應變；K成為塑性相變參數；σ是應力；ζ是組織轉變量；f(ζ)為組織轉變量函數。

圖2 零件的幾何模型(a)及其1/6部分的網格化(b)

Fig.2 Geometric model of the part(a) and the meshing of the sixth part(b)

1.3 基于零件幾何特性的模型處理和網格劃分

如圖2(a)所示，內螺紋接頭在外側有6個周期分布的凹槽。由于內螺紋的存在，零件本身并不是完全的周期對稱。對于每一個1/6單元來說，內螺紋的存在引起的差異在一個螺距之內，因此對計算結果的影響不大，完全可以忽略。因此采用1/6的部分作為研究對象，這樣可以減少網格單元數量，提高計算效率，如圖2(b)所示。

1.4 熱處理工藝及邊界條件

在邊界條件不變的情況下，淬火工藝決定了淬火冷卻強度，進而決定了組織分布和力學性能。

產品經歷的熱處理工藝為：①加熱保溫階段：將零件隨爐加熱到900 ℃,保溫50 min。②轉移：將零件在20 ℃的空氣氛圍中，從加熱爐轉移到淬火油中。這個過程持續1 min。③淬火：將工件浸入到50 ℃淬火液中，直至冷卻完畢。④回火：將淬火后的工件加熱至300 ℃,保溫3 h, 然后空冷至室溫。仿真流程與邊界條件與零件實際熱處理工藝參數一致。

圖4 工件在油冷過程中溫度場的變化 (a)浸入一半時刻；(b)完全浸入時刻；(c)完全浸入0.8 s后；(d)完全浸入12.6 s后 

淬火液的換熱系數隨溫度變化的曲線如圖3所示，該參數取自DANTE?軟件提供的試驗數據。

圖3 淬火液與工件的換熱系數 

2 仿真結果與分析

2.1 淬火過程的溫度場

奧氏體化的工件浸入到淬火液中，依次經歷膜沸騰、核沸騰和對流換熱3個階段。大部分的熱量是在核沸騰階段帶走的，溫度在此階段也是下降最快的。冷卻速率對淬火后工件的殘余應力、畸變和力學性能的影響非常巨大。

圖4為工件淬火過程中的溫度場隨時間的變化。由圖4可知，在12.6 s后工件溫度已經從900 ℃快速降到250 ℃左右。

2.2 回火后的殘余應力場

由于熱應力、相變應力和相變塑性的存在，零件內部應力超過了塑性極限，發生塑性變形。回火后雖然應力得到釋放，但零件內仍然存在殘余應力。如圖5所示，殘余應力在零件內分布并不均勻，最大殘余應力可以達到348 MPa。

2.3 淬火-回火處理后的零件畸變

塑性變形導致的直接后果是零件發生了不可逆轉的塑性變形，如圖6所示。首先，螺紋入口處發生了收縮，最大位移量為0.036 mm。另外，從入口開始，隨著螺紋深度的發展，原本平行的螺紋由直線狀(圖6中右側所顯示的主視圖)逐漸變成了波浪線。這些畸變會阻礙螺栓的進入，與裝配生產出現的現象吻合。對于第二種畸變，取向下的高度為自變量，波紋狀曲線偏離原始位置的最大值為因變量，得到畸變量曲線，如圖7 所示。

2.4 針對工藝改進的建議

入口處的畸變，是由零件上下部分的厚度不同導致淬火過程中溫度梯度過大引起的。建議淬火時用零件的反方向進入淬火液，并適當調整零件進入淬火液的速度，使得厚壁端提前冷卻，降低厚壁和薄壁之間的溫度梯度。

螺紋線的波浪畸變是由于外側厚壁上面的6個開槽引起的。由于開槽導致溫度變化不一致，進而產生了較大的溫度梯度。溫度梯度的存在產生熱應力，使零件發生塑性變形。建議先熱處理，后開槽，減小熱應力，進而消除這部分畸變。

3 結論

根據零件的特征簡化了幾何模型，使得網格單元大大減小，提高了計算效率。使用基于ABAQUS的DANTE?軟件計算了帶有內螺紋接頭零件的溫度場、應力應變場。預測了熱處理后的殘余應力分布以及零件畸變。零件畸變的計算結果與實際生產裝配中出現的問題基本一致，因此是可信的。如果工藝允許的情況下，可以先熱處理，后開槽。這樣可以盡可能地減小熱處理的畸變。

文章來源：金屬熱處理