合金钢零件淬火尺寸效应研究及应用

论文摘要

为了获得预定的力学性能，以满足在特定环境下的使用要求，机械零件往往需要进行淬回火处理。但由于淬火尺寸效应的限制和合金钢用材以及热处理工艺制定不当，经常造成机械零部件早期失效。解决这一问题的有效手段是选用淬透性与具体零件性能要求相匹配的合金钢材料，目前国内外描述合金钢淬透性的主要手段有端淬曲线、淬火临界尺寸和等效端淬距离法等。但这些方法仅适合于圆柱形试样或零部件，极大限制其了在实际工程中的应用。为描述复杂结构或大截面合金钢零件淬火尺寸效应，本文将合金钢淬火瞬态温度场计算模型与连续冷却转变计算模型相结合，提出了研究具体形状（尺寸）合金钢零件淬火尺寸效应的具体实现方法，并以此进行合金钢材料选择与设计，取得了较好效果，具体内容如下：（1）在对攀枝花钢铁公司轨梁厂八辊矫直辊淬火温度场模拟基础上，结合四种工模钢的连续冷却转变曲线分析，确定了能满足100mm淬硬层尺寸和52～57HRC硬度要求的最佳矫直辊用合金钢材料及相关热处理工艺。（2）为减少冷轧辊淬火应力，防止辊身剥落和开裂的产生，在对12辊轧机工作辊空淬温度场仿真计算基础上，利用Thermo-Calc平衡相热力学计算技术确定了0.75C-2.9Cr-0.27Mo-1.8Mn-1.25Si-0.55Ni合金钢材料，并通过对该合金钢CCT曲线的计算，得出了其空冷淬火临界尺寸为φ140mm，并采用光学显微镜、TEM、X-ray仪等对其微观观组织进行了探讨，其分析结果为经济型抗剥落冷轧辊的开发及应用提供了理论依据。依据上述方法与理论，开发的经济型空淬冷模钢应用于冷轧辊，使用结果良好，消除了原用材料9Cr2MoV淬硬层不够与Cr12Mov剥落开裂等现象，表明淬火温度场、连续转变曲线、热力学平衡相等模型组合，可以用于评价不同尺寸复杂零件淬火尺寸效应，其尺寸效应分析结果可用于指导实际机械零部件的材料选择和新材料开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 零件淬火尺寸效应研究及其应用状况
• 1.2.2 TTT/CCT 曲线计算数学模型理论研究状况
• 1.2.3 国内外淬火工艺模拟研究现状
• 1.3 研究意义及目的
• 1.4 研究内容
• 第2章 淬火瞬态温度场理论计算模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 淬火温度场计算数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 初始条件
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 相变潜热的处理
• 2.3 淬火温度场有限元格式求解
• 2.3.1 有限元离散
• 2.3.2 热传导方程的时间积分方案
• 2.4 小结
• 第3章 轨梁矫直辊试制及分析
• 3.1 引言
• 3.2 技术要求与工艺分析
• 3.3 温度场仿真计算与分析
• 3.4 试制与试用结果检验
• 3.4.1 试制检测结果
• 3.4.2 试用结果
• 3.5 小结
• 第4章 经济型空淬冷作模具钢设计及应用
• 4.1 引言
• 4.2 合金材料设计原则与流程
• 4.2.1 材料设计发展概况
• 4.2.2 合金成分设计的基本原则
• 4.2.3 合金设计流程
• 4.3 目标性能
• 4.4 组织结构设计
• 4.4.1 基体相
• 4.4.2 碳化物相
• 4.5 合金元素种类选取与确定
• 4.5.1 合金元素选取
• 4.5.2 合金元素含量的确定
• 4.5.3 平衡相图分析
• 4.6 温度场仿真 /CCT曲线计算与分析
• 4.7 12 辊轨机冷轧辊应用
• 4.8 小结
• 第5章 空淬冷模钢性能测试与微观组织结构分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验试样制备
• 5.3 实验设备
• 5.4 实验方法
• 5.4.1 热处理工艺设计
• 5.4.2 性能测试 / 组织分析项目
• 5.5 硬度测试结果与分析
• 5.6 冲击韧性测试结果与分析
• 5.6.1 冲击韧性测试结果
• 5.6.2 断口分析介绍
• 5.6.3 试样冲击断口分析
• 5.7 金相分析
• 5.7.1 马氏体、碳化物金相分析
• 5.7.2 残余奥氏体分析
• 5.7.3 碳化物类型分析
• 5.8 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果