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渗碳过程碳浓度分布数值模拟摘要：本文在气体渗碳与离子渗碳方面对渗碳过程碳浓度分布做了主要研究。
基于菲克第一定律与菲克第二定律建立数学模型，分析了碳浓度分布与时间温度及距表面距离之间的关系。
关键词：气体渗碳 离子渗碳 渗层碳浓度分布 数值分析一、 问题的提出1、 对于渗碳过程碳浓度的分布，首先有如下假设 (1)20号钢制成半无限大的平表面；(2)零件内部温度均匀一致，且不随时间变化； (3)碳的扩散系数不随浓度变化； (4)环境中碳势不随时间变化；2、基于以上假设，我们分别对气体渗碳与离子渗碳研究以下几个方面： (1)气体渗碳a 相同温度下，不同时间，碳浓度分布随距表面距离的变化；b 相同温度下，距表面距离不同，碳浓度分布随时间的变化；c 相同时间，不同温度下，碳浓度分布随距表面距离的变化；d 相同温度，相同时间，不同传递系数，碳浓度分布随距表面距离的变化； (2)离子渗碳a 相同温度下，不同时间，碳浓度分布随距表面距离的变化；b 相同温度下，距表面距离不同，碳浓度分布随时间的变化；c 相同时间，不同温度下，碳浓度分布随距表面距离的变化；二、 建立数学模型碳原子在20号钢中扩散遵循菲克第二定律，即碳浓度分布满足方程：c ()c D x x τ∂∂∂=∂∂∂D 与C 无关，方程变为：22c c D x τ∂∂=∂∂1)气体渗碳时：初始条件：(,0)c x c =边界条件：()p x cDc c xβ=∂-=-∂方程的解析解：200(,)()exp()p x c x c c c erfc erfc D ββττ⎧⎫+⎪⎪=+--⎨⎬⎪⎪⎩⎭ （1）式中：C(x,τ)—碳浓度的质量分数（%）；β—碳原子的界面传递系数（mm/h ）；D —碳的扩散系数（mm 2·h -1)；τ—渗碳时间（h ）；x —据表面的距离（mm ）； c 0—工件原始碳浓度（%）；2)离子渗碳时： 即：初始条件：(,0)c x c =边界条件：(0,)s pc c c τ==方程的解析解：00(,)()p c x c c c erfc τ=+- （2）式中：C(x,τ)碳浓度的质量分数（%）； D —碳的扩散系数（mm 2·h -1)；τ—渗碳时间（h ）；x —据表面的距离（mm ）；c 0——工件原始碳浓度（%）； c s ——工件表面碳浓度（%）；三、基于所提出的问题，编程生成图像，对图像进行分析简化模型，假设C p 与T 呈线性关系，图形如下所示：程序如下：L1 = '0.77*a + b = 727';L2 = '2.11*a + b = 1148';g = solve(L1, L2);x = 0:0.01:5;y = g.a*x + g.b;plot(x, y);axis([0.77, 2.11, 727, 1148]);xlabel('w(C)%');ylabel('温度/℃');grid on拟合方程为：T = 314.1791*Cp+ 485.08201、气体渗碳a 相同温度下，不同时间，碳浓度分布随距表面距离的变化：对于材料20号钢，其渗碳过程温度为950℃，C0=0.20%，Cp=1.30%；碳的扩散系数D=D0exp(—Q/RT)，其中D=0.162cm2/s，Q=137800J/mol，则D=6.3*10-8；碳的传递系数ß=3.969exp(—120830/RT)cm/s，则B=9.5*10-6 cm/s。
常用的渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳1.液体渗碳既盐浴渗碳，优点是设备简单，渗碳速度快，渗碳层均匀，操作方便，特别适用于中小型零件及有不通孔零件。
但是盐浴中剧毒的氰化物对环境和操作者存在危害。
2.气体渗碳，由于适合大量生产化，作业可以简化，品质管制容易算特点，目前最普遍被采用。
此法有变成气体（或称发生气体）及滴注式之两种。
变成气体方式之方法是将碳化气体（C4H10，C3H8，CH4等）和空气相混合后送入变成炉（Gasgenerator），在炉内1000～1100℃之高温下，使碳化氢和空气反应而生成所谓变成气体（ConvertedGas），由变成炉所生成的气体有各种称呼，这里方便上叫做变成气体。
变成气体以CO、H2、N2，为主成份，内含微量CO2、H2O、CH4，然后将此气体送进无外气泄入的加热炉内施行渗碳。
渗碳时，因所需的渗碳浓度不同，在变成气体内添加适当量的C4H10、C3H8、CH4等以便调渗碳浓度。
气体渗碳有关的反应如下所示：2CO=〔C〕+CO2 (1)CO+H2=〔C〕+H2O (2)CH4=〔C〕+2H2 (3)C2H6=〔C〕+CH4+H2 (4)C3H8=〔C〕+C2H6+H2 (5)此处析出的碳为活性碳〔C〕，此碳渗入钢中扩散而渗碳。
高级碳化氢以式（4）、（5）的反应依序分解，成为低级碳化氢，最后成为CH4，进行式（3）的分解，式（4）、（5）的分解速度比式（3）快。
这些反应还会引起下示的副反应H2+CO2=CO+H2O (6)CH4+CO2=2CO+2H2 (7)CH4+H2O=CO+3H2 (8)以上为气体渗碳的基本反应。
进行气体渗碳时，需要前述的气体变成炉、处理炉及其它附属设备，都属于气密式炉体，炉内有风扇使渗碳及温度均匀化。
在变成炉变成的渗碳性气体，以对应于处理目的的气体组成或露点的气体导入处理炉。
此气体参与钢的渗碳，会副生CO2，减低渗碳性，为了从钢材表面除去CO2，有必要以某速度以上使渗碳性气体流动，调节气体流量，使炉内气体每1小时置换5～10次，又为了防止炉外的氧化性气体混入，炉内压力要保持稍高于1气体。
组织与性能 用数值模拟方法研究气体渗碳强渗期与扩散期的合理选择 上海交通大学材料科学与工程学院(上海200030) 阮 冬 潘健生 张伟民 胡明娟【摘要】 利用气体渗碳的物质传递数学模型和气体渗碳CAD软件进行了两段渗碳工艺的数值模拟计算,对两段渗碳工艺强渗期和扩散期选择的自适应原则提出了疑问,证明了其不合理性。
发现S1与S2之比是随着渗碳工艺条件和渗层深度而变化的。
最终碳浓度分布曲线上碳平台的长度与渗层深度有关,可以此为判据,计算由强渗期转入扩散期的最佳时间,制定两段渗碳工艺,得到满意的渗碳层浓度分布。
相应的试验证明了其合理性。
关键词:两段渗碳 强渗期 扩散期R esearch of R easonable Selection of C arburizing Stage and Diff usionStage During G as C arburizing Process by Using Numerical SimulationRuan Dong,Pan Jiansheng,Zhang Weimin,Hu Mingjuan(School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030)【Abstract】 The two2stage carburizing technology has been simulated by using the mathematical model and CAD software of mass transfer for gas carburizing.The self2adaptation principle which has been employed in the selection of carburizing stage and diffusion stage during a two2stage carburizing process has been suspected and it’s unreasonability has been approved.It has been found out that the ratio of S1to S2changes with the process conditions and the depth of carburizing layer.There is a relationship between the platform on the final carbon profile and the depth of carburizing layer,according to that the best time to transfer from carburizing period to diffu2 sion period can be calculated and the two2stage carburizing process can be determined to get the satisfied carbon profile.Relevant experi2 ments have been done to approv it′s reasonability.K ey w ords:two2stage carburizing,carburizing stage,diffusion stage1 前言从冶金学观点来看,渗碳件中的碳浓度呈现在表面层具有碳平台的“S”形分布是比较好的,可以避免渗碳件因渗层中过陡的浓度梯度而造成的早期失效。
渗碳过程碳浓度的分布渗碳是一种常用的表面处理工艺，用于提高材料的硬度和耐磨性。
在渗碳过程中，碳原子在材料表面通过扩散进入到材料内部，形成碳浓度的分布。
渗碳过程中，碳浓度的分布对材料的性能有着重要影响。
渗碳过程中，碳原子以固溶态进入材料晶格的间隙中，取代原有的金属原子。
由于碳原子的尺寸较小，相比金属原子，可以更轻易地占据晶格的间隙。
渗碳过程中，最常用的金属基体载体包括铁、钢、高温合金等。
渗碳过程中，碳浓度的分布受到多种因素的影响，包括渗碳时间、温度、渗碳介质、渗碳方法等。
渗碳时间指的是渗碳过程中材料所处的时间，温度则是渗碳过程中的处理温度，渗碳介质则是指用于渗碳的气体、液体或固体物质，渗碳方法则是指渗碳过程中采用的工艺方法。
在渗碳过程中，常用的渗碳方法包括气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳。
气体渗碳通过将材料暴露在富含碳原子的气体中，让碳原子进入金属基体载体。
液体渗碳则是将材料浸泡在富含碳原子的液体介质中，使碳原子进入金属基体载体。
固体渗碳则是将含有碳的固体材料直接接触到金属基体表面，使碳原子扩散到金属基体内。
渗碳过程中，碳浓度的分布通常呈现出自渗层和外渗层的特点。
自渗层指的是渗碳层中离材料表面最近的部分，也是碳浓度最高的部分。
外渗层则是离材料表面较远的部分，其碳浓度较低。
碳浓度的分布取决于渗碳时间、温度和渗碳介质。
在渗碳过程中，渗碳时间越长，碳原子的扩散距离越远，因此碳浓度的分布越均匀。
同时，温度的提高也会促进碳原子的扩散，使得碳浓度更加均匀。
渗碳介质的选择也会对碳浓度的分布产生影响。
比如，气体渗碳中，渗碳气体的流动性能会影响碳原子的扩散速率和均匀性。
渗碳过程中，碳浓度的分布对材料的性能产生重要影响。
高浓度的碳原子可以增加材料的硬度和抗磨性，提高材料的使用寿命。
然而，过高的碳浓度可能会导致材料的脆化，降低其韧性和强度。
因此，在渗碳过程中，需要合理控制碳浓度的分布，以满足不同材料的要求。
综上所述，渗碳过程中碳浓度的分布受多种因素的影响，包括渗碳时间、温度、渗碳介质和渗碳方法等。
G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳C浓度梯度分布数值模拟与应用软件开发G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳C浓度梯度分布数值模拟与应用软件开发摘要：G13Cr4Mo4Ni4V钢是一种常用于船舶和海洋工程的高强度耐蚀钢材料。
通过对该钢进行真空渗碳处理，可以显著提高其耐磨性和耐蚀性能。
本文针对G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳C浓度梯度分布进行了数值模拟研究，并开发了相应的应用软件。
关键词：G13Cr4Mo4Ni4V钢；真空渗碳；C浓度梯度分布；数值模拟；应用软件开发一、引言随着船舶和海洋工程的快速发展，对高强度耐蚀钢材料的需求日益增加。
G13Cr4Mo4Ni4V钢由于其优异的力学性能和耐蚀性能而成为一种理想的材料。
然而，在一些特定工况下，如海洋环境中的腐蚀、摩擦等，该钢材料仍然存在一定的局限性。
为了进一步提高G13Cr4Mo4Ni4V钢的耐磨性和耐蚀性能，目前采用真空渗碳处理的方法，通过在材料表面形成高浓度的碳化物层，以增强材料的硬度和耐磨性。
二、数值模拟方法为了研究G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳过程中C浓度的梯度分布，本文采用了有限元数值模拟方法。
首先，建立了G13Cr4Mo4Ni4V钢的几何模型，并设置了真空渗碳加工过程的工艺参数。
然后，根据渗碳过程中的热传导、扩散和反应等物理过程，构建了相应的数值模型。
利用计算机软件对模型进行离散化处理，并采用有限元方法对模型进行求解，得到了C浓度的梯度分布。
三、数值模拟结果与分析通过数值模拟，得到了G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳过程中C浓度的梯度分布结果。
结果显示，在真空渗碳过程中，不同位置的C浓度存在明显的梯度分布。
在渗碳层附近，C浓度较高，而在基体部分C浓度较低。
这种梯度分布使得材料表层形成高浓度的碳化物，从而提高了材料的硬度和耐磨性。
四、应用软件开发为了方便工程师和研究人员对G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳过程进行模拟和分析，我们开发了相应的应用软件。
《G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳C浓度梯度分布数值模拟与应用软件开发》篇一一、引言随着现代工业技术的不断发展，钢铁材料在各种高强度、高耐腐蚀性应用中扮演着重要角色。
G13Cr4Mo4Ni4V钢作为一种优质合金钢，其性能的优化对于提高产品质量和使用寿命具有重要意义。
其中，真空渗碳技术是一种重要的处理工艺，可以有效地改善钢材的力学性能和耐腐蚀性。
本文针对G13Cr4Mo4Ni4V 钢真空渗碳过程中C浓度梯度分布进行数值模拟，并开发相应的应用软件，旨在为实际生产提供理论支持和操作指导。
二、G13Cr4Mo4Ni4V钢的特性和真空渗碳技术G13Cr4Mo4Ni4V钢具有优异的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于机械制造、石油化工、汽车制造等领域。
真空渗碳技术作为一种重要的表面处理技术，具有工艺简单、操作方便、节能环保等优点。
在真空渗碳过程中，C元素通过表面扩散进入钢材内部，形成C浓度梯度分布，从而提高钢材的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
三、C浓度梯度分布的数值模拟为了研究G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳过程中C浓度梯度分布，本文采用数值模拟方法。
首先建立合理的物理模型和数学模型，描述渗碳过程中C元素的扩散和迁移行为。
然后利用有限元方法对模型进行求解，得到C浓度在钢材内部的分布情况。
通过数值模拟，可以直观地了解C浓度梯度分布的规律和特点，为实际生产提供理论支持。
四、应用软件开发为了将数值模拟结果应用于实际生产，本文开发了G13Cr4Mo4Ni4V钢真空渗碳C浓度梯度分布的应用软件。
该软件具有以下功能：1. 输入参数设置：根据实际生产需求，设置渗碳温度、时间、C元素含量等参数。
2. 数值模拟计算：根据输入的参数，调用数值模拟程序进行计算，得到C浓度梯度分布结果。
3. 结果可视化展示：将计算结果以图表形式展示，直观地反映C浓度梯度分布情况。
4. 操作指导：根据数值模拟结果和实际生产经验，为操作人员提供合理的操作建议和指导。
