提高高锰钢衬板性能的研究

作者：信息来源:模具 2008-6-19

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由于尖角部位沿角平分线(AC)对称，因此为了减少单元及节点数、提高运算效率，可选取半角为研究对象。同时，为了提高计算精度，网格需十分密集，这一点与温度场和应力场的网格划分均有所不同。另外，由于形状因素使得工件的不同部位碳浓度相差很大，例如外角的尖角处的碳浓度高于平面，为了提高该处浓度场的计算精度，网格应...

摘　要：　本文提出了用“尖角影响距离”(D_m)的方法定量描述渗碳件尖角部位的“尖角效应”。利用计算机模拟快速、高效的特点，借助自行开发的CARBU-S IM有限元渗碳浓度场模拟软件，首次系统地研究了尖角角度、渗碳温度、渗碳时间、气氛碳势、倒圆半径及倒角等各种错综复杂的因素对工件尖角部位渗碳浓度场的影响。此外，还根据几何关系推导出了工件尖角部位渗碳后加工倒圆的最佳曲率半径公式。所得结论为制订更为合理的尖角渗碳工艺提供了可靠依据，具有较大的实用价值。
　　关键词：　尖角效应；尖角影响距离；计算机模拟
　　中图分类号：TG161.8⁺1　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1001-3814 (2000)02-0016-03

Quantitative Expression of “Corner Effect” for Carburizing
Parts and the Study of its Rule

LI Yu　XU Zhou　PAN Jian-sheng　HU Ming-juan
（Open Laboratory of the State Education Commission for High Temperature Materials & Tests,Shanghai Jiaotong University）

　　Abstract：　The method of “influence distance” was presented to express “corner effect” of carburizing part corner.By the FEM simulation software of CARBU-SIM,influenc e of corner degree,carburizing temperature ,carburizing time,carbon potential,ra d ius of transition arc and offset to “influence distance” was studied systemati cally.In addition,according to the geometrical relation,the equation for calcula ting the most suitable transition radius of carburized corner parts was deduced. The conclusions in this paper provide scientific basis for optimizing carburizin g technology of part corner.
　　Key wards：　corner effect ; influence distance; comput er simulation

1　引言

　　渗碳件的各项性能与渗层碳浓度分布有密切关系，而碳浓度分布除与渗碳工艺有关外，工件的几何形状也一个重要的影响因素。尖角是常见的几何形状，带有尖角的渗碳件易造成该处碳浓度分布不均匀，产生“尖角效应”^［1］。由于“尖角效应”导致的碳浓度不均匀会造成渗碳件的组织、性能差异，并可能导致工件的早期失效。目前，对“尖角效应”尚缺乏系统研究，对于“尖角效应”的定量描述亦未见报道。
　　CARBU-SIM是本文作者开发成功，能够模拟渗碳层二维非线性瞬态浓度场的有限元软件。该软件包括有限元分析程序、前处理程序(网格自动剖分程序)及后处理程序(等浓度线或任意方向浓度分布曲线显示)。在有限元分析程序中包括单相区固溶体内扩散和多元合金中伴随析出的多相区扩散两部分，可分别适用于碳钢、低合金钢渗碳过程模拟。经实验证明，该软件具有良好的模拟精度。本文利用CARBU-SIM软件系统研究了各种因素对“尖角效应”的影响，并给出了渗碳后尖角加工倒圆的最佳半径。

2　尖角部位的有限元网格划分及模拟结果

　　尖角部位的选取如图1所示。假设尖角部位从平行六面体中截取，角度为60°。由于尖角部位沿角平分线(AC)对称，因此为了减少单元及节点数、提高运算效率，可选取半角为研究对象。在边界单元中，AB上的单元与渗碳气氛接触，发生碳原子传递，因而应定为第三类边界单元，即.

由于AC是尖角部位的对称线，BC则与AB垂直，故在AC、BC两条边的法线方向均无碳原子传递，物流密度为零，在AC及BC上的单元均可相应定义为第二类边界单元，即

。进行浓度场计算时，可以动态显示沿AC和BC的渗层特征

量分布。

图1　工件尖角部位的选取

　　工件尖角部位的网格划分如图2所示。渗碳件渗层深度有限，因此有限元网格无需将工件整体划分，只需取表层一定深度即可。同时，为了提高计算精度，网格需十分密集，一点与温度场和应力场的网格划分均有所不同。另外，由于形状因素使得工件的不同部位碳浓度相差很大，例如外角的尖角处的碳浓度高于平面，为了提高该处浓度场的计算精度，网格应较其它位置更加细密，由图2可看出这一点。

图2　工件60°尖角部位的网格划分

　　20钢工件60°尖角部位，在920℃，碳势为1.2%C气氛渗碳6h后沿角平分线(AC)和平面处(BC)渗层碳浓度分布如图3所示，等浓度曲线如图4所示。可以看出尖角部位的碳浓度和渗层深度均高于远离尖角的平面部位，产生了明显的“尖角效应”。

图3　沿角平分线(AC)和平面处(BC)的碳浓度分布

图4　等浓度曲线

3　“尖角影响距离”的提出及定义

　　由图3可以看出，随着距尖角顶点距离的增加，“尖角效应”的影响减弱，距尖角顶点的距离达到一定值后，“尖角效应”的影响可以不予考虑。在工程应用中，尚缺乏对“尖角效应”的定量表示，为此本文用“尖角影响距离”(D_m)描述“尖角效应”的影响。D_m定义为与远离尖角的平面处碳浓度相等的尖角平分线上的点距尖角顶点的距离，即图2的AC线上与B点碳浓度相等的点与A点的距离，可由AC和BC的碳浓度分布图(例如图3)直接求出。利用计算机模拟快速、高效的优点，找出不同工件尖角部位在不同渗碳条件下所对应的D_m，对于机械设计及热处理工艺均能提供一定帮助。为此本文利用自行开发的CARBU-SIM模拟软件对工件尖角部位的D_m进行定量计算。

4　各种因素对“尖角影响距离”的影响

4.1　渗碳时间的影响
　　20钢工件75°尖角部位，在920℃渗碳，碳势为1.0%，随时间增加，D_m的变化如图5所示。可见，工件尖角部位的D_m随着渗碳时间的增加呈抛物线式增加，在开始渗碳阶段，D_m随时间增加而迅速增加，随着渗碳时间的延，D_m增加的速度减慢。

图5　渗碳时间对“尖角影响距离”的影响

4.2　尖角角度的影响
　　在920℃，碳势为1.0%的气氛下渗碳6h后，D_m随尖角角度的变化如图6所示。可看出，随着尖角角度的增加，D_m明显降低，当工件尖角部位的角度增加到150°时，D_m已减小到0.06mm。

图6　尖角角度对“尖角影响距离”的影响

4.3　渗碳温度的影响
　　工件75°尖角部位，在碳势为1.0%气氛下渗碳6h后，渗碳温度与D_m的关系如图7所示。可见，随着渗碳温度由900℃增加到930℃，工件75°尖角部位的D_m由0.42mm增加到0.49mm，因此温度对D_m有一定的影响。

图7　渗碳温度对“尖角影响距离”的影响

4.4　气氛碳势的影响
　　920℃渗碳6h，气氛碳势对工件60°尖角部位D_m的影响如图8。可见，当碳势由0.8%增至1.2%，工件尖角部位的D_m的增加量仅为0.02mm左右，因此碳势对“尖角效应”的影响很小

图8　气氛碳势对“尖角影响距离”的影响

4.5　工件尖角部位应加工的倒圆半径计算公式
　　工程中，尖角工件通常带有倒圆或倒角，目的是减轻“尖角效应”的影响，倒圆的加工可以在渗碳前，也可在渗碳、淬火及回火后。不同角度的尖角工件采用倒圆半径值究竟多大为宜，过去通常只是从应力场角度考虑或是根据经验，而缺乏渗碳浓度场方面的科学计算。本文认为，倒圆半径(r_m）的取值也应适当考虑碳浓度场的模拟结果，根据具体渗碳条件下的D_m求得。根据D_m与r_m之间的几何关系可得：

　(1)

式中α为尖角角度。因此，已知渗碳工艺后，根据模拟结果可得所需的D_m值，再根据公式(1)即可求出应采用的r_m。按此半径加工倒圆可使整个工件表层碳浓度达到均匀分布的效果，因此用公式(1)计算的圆弧半径值可作为工件渗碳后的进一步机械加工的参考。对于渗碳前加工倒圆的情况将在下文中讨论。
4.6　倒圆对工件尖角部位渗碳浓度场的影响
　　倒圆半径为0.8mm的20钢工件60°尖角部位在920℃，碳势1.2%，渗碳6h后，沿角平分线(AC)和平面处(BC)渗层碳浓度分布如图9，相应的等浓度曲线如图10所示，可看出，尖角增加倒圆后，D_m由原来的0.7mm降至0.1mm，渗层碳浓度分布趋于均匀。

图9　920℃，碳势1.2%，渗碳6h，r_m为0.8mm
的20钢工件60°尖角部位，沿角平分线(AC)和平
面处(BC)渗层碳浓度分布的计算结果

图10　r_m为0.8mm的20钢工件60°尖角部位，在
920℃，碳势1.2%，渗碳6h的等浓度曲线

4.7　倒角对工件尖角部位渗碳浓度场的影响
　　倒角为0.8mm的20钢工件90°尖角部位在920℃，碳势1.2%，渗碳6h后，沿角平分线(AC)和平面处(BC)渗层碳浓度分布如图11所示，相应的等浓度曲线如图12所示。可以看出，增加0.8mm的倒角后，D_m只有0.05mm，尖角效应的影响已经很小。

图11　在920℃，碳势为1.2%，渗碳6h，倒角为0.8mm的
20钢工件90°尖角部位，沿角平分线(AC)和平面
处(BC)渗层碳浓度分布的计算结果

图12　0.8mm倒角的20钢工件90°尖角部位，在920℃
碳势1.2%，渗碳6h的等浓度曲线

5　结论

　　(1)提出用“尖角影响距离”的方法定量表示“尖角效应”，其含义为尖角平分线上与远离尖角的平面处表面碳浓度相等的点距离尖角顶点的距离。
　　(2)工件尖角部位的角度是决定“尖角效应”的内在因素，“尖角影响距离”随工件尖角部位角度的增加而减小。“尖角影响距离”随渗碳时间、渗碳温度及碳势的增加而增大，其中渗碳时间对“尖角影响距离”最为明显，渗碳温度次之，气氛碳势的影响很小。
　　(3)以“尖角影响距离”为依据，根据公式r_m=可以设计渗碳后工件的尖角部位应加工的过渡弧半径值。
　　(4)带有倒圆和倒角的工件尖角部位可以明显减小“尖角效应”。

作者简介：李宇(1972-)，男，黑龙江，博士生。
李宇（上海交通大学家教委高温材料及高温测试开放实验室，上海 200030）
徐洲（上海交通大学国家教委高温材料及高温测试开放实验室，上海 200030）
潘健生（上海交通大学国家教委高温材料及高温测试开放实验室，上海 200030）
胡明娟（上海交通大学国家教委高温材料及高温测试开放实验室，上海 200030）

参考文献：
［1］　Dupen B,Morral J E,Law C C.Finite Element Simulation of the Carbu rizing “Corner Effect”［A］.17th ASM Heat Treating Conference Proceedings Incl uding the 1^st International Induction Heat Treating Symposium［C］:307～312.

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