20CrMnTi钢渗碳层深度和表层碳浓度分布的数值模拟

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。

第四节钢铁材料渗层深度测定及组织检验一、渗碳层检测钢的渗碳层检测包括渗碳层深度测定和渗碳层组织检验。

渗碳层深度检测方法有金相法、硬度法、断口法、剥层化学分析法，其中硬度法是仲裁方法。

（一）金相法一般来说，以过共析层+共析层+（1/2）亚共析过渡层之和作为总渗碳层深度，常用于碳钢；以过共析层+共析层+亚共析过渡层之和作为总渗碳层深度，常用于合金渗碳钢。

以上两种试样应为退火状态。

（二）硬度法硬度法是从试样边缘起测量显微硬度分布的方法。

执行标准为GB/T9450-2005《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定与校核》和GB/T9451-2005《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度的测定》。

被检测试样应在渗碳、淬火后采用维氏硬度试验方法进行，淬硬层深度是指从零件表面到维氏硬度值为550HV1处的垂直距离。

渗碳层的深度就是渗碳淬火硬化层深度，用CHD表示，单位为mm，如CHD=0.8mm；测定维氏硬度时试验力为1kg（9.807N）；硬度测试应在最终热处理后的试样横截面上进行。

测试时，一般宽度在1.5mm的范围内，垂直于渗碳层表面沿着两条平行线呈之字形打压痕，在一条直线上两相邻压痕的距离S不小于压痕对角线的2.5倍，两条直线上相错位的压痕间距不应超过0.1mm。

测量压痕中心至试样表面的距离精度应在±0.25μm的范围内，每个压痕对角线的测量精度应在±0.5μm以内。

在适当条件下，可使用HV0.1至HV1的试验力进行试验，并在足够的放大倍数下测量压痕。

测试时至少应在两条硬化线上进行，并绘制出每条线的硬度分布曲线（硬度值为纵坐标，至表面的距离为横坐标），用图解法分别确定硬度值为550HV处至表面的距离，如果两数值的差≤0.1mm，则取二者的平均值作为淬硬层深度，否则应重复试验。

上述方法适用于渗碳和碳氮共渗淬火硬化层，距表面3倍于硬化层深度处硬度值小于450HV且硬化层深度大于0.3mm的零件。

20Cr钢渗层碳分布数值模拟系统的研究
程晓敏;熊晶晶;虞丽娟
【期刊名称】《金属热处理》
【年(卷),期】2005(30)C00
【摘要】通过大量渗碳实验，运用数值模拟和VB6．0程序设计语言等方法开发了20Cr钢渗层碳分布的数值模拟系统，利用该系统用户可直接计算出经不同时间渗碳后的渗碳层深度、表面碳浓度和渗层的碳浓度分布。

【总页数】3页(P132-134)
【关键词】20Cr钢;渗碳;数值模拟;VB6.0
【作者】程晓敏;熊晶晶;虞丽娟
【作者单位】武汉理工大学,湖北武汉430070
【正文语种】中文
【中图分类】TG161;TU452
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20CrMnTi薄壁齿轮渗碳淬火过程有限元模拟与调控
姜辉;陈文革;陈茂进
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2024(53)6
【摘要】对实际工况下20CrMnTi薄壁齿轮渗碳淬火过程利用有限元分析软件Deform进行模拟。

结果表明,薄壁齿轮渗碳淬火后,渗碳层厚度为1.2 mm,淬火组织主要由马氏体和残余奥氏体组成,表面的残余奥氏体较心部的多4.2%,由于温度场的不均以及组织应力导致其径向产生9%的变形。

齿轮表面和心部的残余应力分别为-256.5MPa和141 MPa。

实际测得显示薄壁齿轮渗碳层厚度为1.15 mm,淬火后齿轮表面组织由针状马氏体+7%残余奥氏体+颗粒状碳化物组成,心部组织由低碳马氏体+1%残余奥氏体组成,齿轮表面残余应力为(-1078±168.2)MPa,径向最大变形量约7%,与模拟结果对应较好。

为此针对薄壁齿轮热处理过程中因热应力与组织应力综合作用下内应力过大造成的变形,使其在不同部位同时冷却或采取径向约束的措施。

【总页数】7页(P41-47)
【作者】姜辉;陈文革;陈茂进
【作者单位】西安理工大学材料科学与工程学院;泰州进鑫机械有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG162.73
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20CrMnTi是一种低合金高强度结构钢，主要用于制造机械零件和机械传动零件。

渗碳是一种提高钢材表面硬度和耐磨性的方法，可以通过在钢材表面加入一定的碳元素来达到这个目的。

本文将介绍20CrMnTi渗碳碳势相关知识。

一、渗碳的作用渗碳是一种提高钢材表面硬度和耐磨性的方法，它可以使钢材表面形成一层高碳化合物层，从而提高钢材表面的硬度和耐磨性。

此外，渗碳还可以改善钢材的疲劳性能和抗拉强度，并且可以提高钢材的耐腐蚀性能。

二、20CrMnTi的特点20CrMnTi是一种低合金高强度结构钢，具有高强度、良好的韧性和可焊性等特点。

其化学成分为：C：0.17-0.23，Si：0.17-0.37，Mn：1.20-1.60，Cr：1.00-1.30，Ti：0.07-0.12。

该钢材硬度较高，但耐磨性较差，因此需要进行渗碳处理以提高其耐磨性。

三、渗碳碳势的定义渗碳碳势是指在一定温度下，在一定时间内，钢材表面碳元素的浓度与其在深度方向上的分布关系。

渗碳碳势是渗碳工艺参数中的一个重要参数，它对渗碳层的厚度和硬度等性能有着重要影响。

四、20CrMnTi渗碳碳势的控制方法1.温度控制渗碳温度是影响渗碳碳势的重要因素之一。

一般来说，渗碳温度越高，渗碳层的碳化程度越深，渗碳层的硬度也会相应增加。

但是当渗碳温度过高时，会导致钢材表面的脆性增加，从而影响钢材的使用寿命。

因此，在进行20CrMnTi渗碳处理时，要根据具体情况控制温度，一般控制在850-950℃之间。

2.渗碳时间控制渗碳时间也是影响渗碳碳势的重要因素之一。

一般来说，渗碳时间越长，渗碳层的厚度和硬度就会增加。

但是当渗碳时间过长时，会导致钢材表面的碳化程度过高，从而影响钢材的韧性和可加工性。

因此，在进行20CrMnTi渗碳处理时，要根据具体情况控制渗碳时间，一般控制在4-8小时之间。

3.渗碳介质控制渗碳介质也是影响渗碳碳势的重要因素之一。

常用的渗碳介质有固体渗碳剂、气体渗碳剂和液体渗碳剂等。

20CrMnTi钢循环球化渗碳工艺的研究摘要：分别采用常规渗碳和循环球化渗碳工艺对20CrMnTi 钢进行渗碳处理，研究了两种渗碳工艺处理后该合金钢渗碳层的显微组织。

结果表明：采用循环球化渗碳工艺，20CrMnTi 钢的渗碳层中形成了大量弥散分布的粒状碳化物。

关键词：20CrMnTi 钢；循环球化渗碳工艺；组织引言20CrMnTi 钢应用十分广泛,而且消耗量巨大, 多用于制造截面尺寸小于30 mm的中载或重载齿轮轴、齿轮和齿圈等, 在汽车方面的消耗也十分巨大。

本文以20CrMnTi 钢为例, 探讨渗碳工艺对碳化物形态的影响。

渗碳时一般以表面碳浓度(0.8%～1.1%)作为渗碳件的技术指标。

碳化物是钢中的主要强化相，影响零件力学性能的原因主要在于碳化物的形态和分布。

常规渗碳虽然也能使其获得高浓度的渗碳层，却很难控制碳化物的形态，表面含碳量越高，出现块状或网状碳化物的可能性就越大，使其力学性能恶化。

过共析钢中碳化物以细小、均匀、呈球状为好，弥散分布的球状碳化物不仅耐磨性高,韧性也较网状碳化物好。

渗碳层中碳化物是在渗碳过程中形成的，一经形成则无法通过轧制、锻造等工艺方法来改善其形态和分布。

因此长期以来，一直在寻找控制碳化物形态和分布的控制方法。

1 实验材料及方法1.1 实验材料实验用20CrMnTi 钢的化学成分(质量分数，%)为：0.20C，0.93Mn，1.12Cr，0.22Si，0.087Ti，≤0.035S，≤0.035P；其临界点温度分别为：Ac1＝760℃，Ac3＝845℃，Ar1=665℃，Ar3=775℃，Ms=374℃。

1.2 实验方法20CrMnTi 钢经890℃正火后，加工成准φ10mm×10mm 圆柱试样。

采用气体渗碳炉进行渗碳，介质为甲醇和煤油。

将渗碳后试样用4%的硝酸酒精腐蚀。

图2 渗碳层碳化物组织2.3 球化渗碳层组织的形成（1）渗碳理论基础：由于合金元素能使碳在奥氏体中的溶解度减小，在通常的渗碳温度下，即使气氛碳势只有0.9% ～ 1.0%，含有Cr、Mn、Ti 等使奥氏体碳活度系数减小的元素的钢，表面碳含量也会超过碳在奥氏体中的溶解度，使工件表面在渗碳过程中出现相当数量的碳化物。

20CrMnTi简介20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%-0.24%的低碳钢。

常作为齿轮钢用作制造汽车、摩托车、农用车、各种工程机械的传动齿轮,广泛应用于机械、汽车等行业。

其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。

20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。

●化学成份碳C：0.17～0.23硅Si：0.17～0.37锰Mn：0.80～1.10铬Cr：1.00～1.30硫S：允许残余含量≤0.035磷P：允许残余含量≤0.035镍Ni：允许残余含量≤0.030铜Cu：允许残余含量≤0.030钛Ti：0.04～0.10[2]●力学性能：抗拉强度σb (MPa)：≥1080(110)屈服强度σs (MPa)：≥835(85)伸长率δ5 (%)：≥10断面收缩率ψ (%)：≥45冲击功Akv (J)：≥55冲击韧性值αkv (J/cm2)：≥69(7)硬度：≤217HB试样尺寸：试样毛坯尺寸为15mm●20CrMnTi密度:7.8×103kg/m3弹性模量:207GPa泊松比:0.25导热率:1.26×10-51/℃[3]热处理规范：淬火:第一次880℃,第二次870℃,油冷;回火200℃,水冷、空冷。

金相组织：回火马氏体。

回火组织与性能的研究20crMnTi钢是低碳低合金结构钢,该钢通常在化学热处理状态下使用。

经渗碳或碳氮共渗处理后,具有良好的耐磨性能和抗弯强度,以及较高的抗多次冲击能力。

该钢还可在调质状态下使用,其热处理工艺简单,热加工和冷加工性能均较好,在兵器工业中,主要用来制造截面在30mm以下的承受中等载荷的零件,如履带车辆的左右分离圈、同步器固定齿套等。

20crMnTi钢作为低碳马氏体用钢,经淬火低温回火后,在获得高强度的同时,比优质碳素钢有更好的塑性、韧性的配合,其冷脆倾向较小,低温冲击值高,综合机械性能良好,可用以制造中小尺寸的高强度零件。

渗碳过程碳浓度分布数值模拟模拟一、 实验目的建立渗碳过程中碳浓度分布的数学模型，通过matlab 软件进行数值模拟，绘制气体渗碳过程曲线、离子渗碳过程曲线以及层深与时间和温度关系曲线，分析不同条件下渗碳过程中碳浓度的分布关系及影响因素，进而深入了解渗碳过程这一材料处理工艺。

二、 实验器材装有matlab 的计算机三、 实验模拟参数材料：20#钢温度：860℃、900℃、950℃、1000℃初始碳量：0.80%、1.00%、1.20%、1.50%四、 实验原理（一）、首先建立一个关于渗碳过程的数学模型。

考虑一初始浓度均匀分布，其值为0c 的半无限厚介质（y ,z 方向无限大，x 方向半无限大），当t>0时，碳势为p c 。

随着时间的增加，浓度变化逐深入介质的内部。

扩散仅沿x 方向进行。

扩散过程中，介质另一侧的浓度始终维持不变。

1、 方程：c c =D x x τ∂∂∂∂∂∂（） 若假设D 与c 无关，则有22c c =D xτ∂∂∂∂ 2、 初始和边界条件：边界条件：0c -D ()p x c c x β=∂=-∂ 3、 方程的解：气体渗碳：200(,)()()exp()()22p x x x c x c c c erfc erfc D D D D ββτττβττ⎡⎤+=+--+⎢⎥⎣⎦ 式中，0exp()Q D D RT =-，Q=137800J/mol, 0D =16.22mm s ，扩散系数，单位2mm s12083039.6exp()RTβ=-，传递系数，单位mm s 离子渗碳：（当β−−→∞时）00(,)()()2p x c x c c c erfc D ττ=+- 4、 渗碳层厚度与时间和温度之间的关系前提条件是β−−→∞，有00(,)()()2p x c c c c erfc D δττ=+-。

取含碳量为0.38%时的层深，即令(,)c δτ=0.38%时模拟层深与时间和温度之间的关系。

大家好，今天我要和大家共享的主题是20crmnti渗碳硬度随深度变化曲线。

这是一个非常具体的主题，需要我们深入了解20crmnti的渗碳硬度曲线在不同深度下的变化情况。

下面，我将按照从简到繁、由浅入深的方式来探讨这个主题，以便让我们能更深入地理解。

让我们简单了解一下20crmnti。

20crmnti是一种优质合金钢，主要成分是铁、碳、锰、铬和钛。

它具有较高的强度和硬度，并且具有良好的韧性和耐磨性，因此被广泛应用于工程机械和汽车制造等领域。

而20crmnti的渗碳硬度随深度变化曲线，则是对这种合金钢在渗碳处理后硬度随深度变化的一种曲线描述。

在20crmnti的渗碳处理中，通常会采用气体渗碳、浸碳等方法，通过在一定气氛或介质中进行加热处理，使得材料表面形成高碳化物层，以增加材料的表面硬度和耐磨性。

而20crmnti渗碳硬度随深度变化曲线，就是描述了在这种处理过程中，20crmnti材料表面硬度和深度之间的关系。

随着渗碳时间的增加，20crmnti材料表面硬度会不断增加，形成一个硬度深度曲线。

曲线的起始部分代表着表面的硬度增加，随后随着深度的增加，硬度会逐渐下降，最终趋于稳定。

这种曲线反映了20crmnti材料在渗碳处理后的硬度变化规律，对于工程机械和汽车制造等领域的零部件来说，具有重要的意义。

结合个人观点和理解，我认为20crmnti渗碳硬度随深度变化曲线的研究对材料表面改性和性能提升具有重要意义。

通过深入研究20crmnti 材料的渗碳处理，可以更好地了解材料的表面硬度变化规律，为工程实践中的零部件制造和设计提供重要的参考依据。

这也为工程材料的性能改善和优化提供了重要的技术支持。

总结回顾一下，我们对20crmnti渗碳硬度随深度变化曲线进行了全面的评估和探讨。

首先简要介绍了20crmnti材料和渗碳处理的基本情况，然后详细描述了渗碳处理后20crmnti材料表面硬度随深度变化的曲线特点，最后结合个人观点和理解，指出了这一研究对工程实践的重要意义。

________大学学生实验报告：20钢渗碳姓名：_______学号：_____________年级、专业：_________20钢渗碳实验报告一、实验内容：20钢的渗碳实验二、实验目的：1、熟悉钢的渗碳工艺及操作过程；2、进一步熟悉金相试样的制备及观察过程(特别是试样的相嵌过程)；3、观察渗碳前后钢的组织与性能（特别的硬度）的变化；三、实验原理：钢的渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。

这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。

渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

四、实验仪器及样品：井试渗碳炉、相嵌机、金相显微镜、洛式硬度机、水、切割机、砂轮机、金相试纸、抛光机、硝酸及酒精、棉花等。

试样用20钢。

五、实验步骤：1、打开渗碳炉，并按表一设置好渗碳程序，渗碳将按下列程序进行；2、取样：选取合适的试样，并用砂轮机将表面的氧化膜去除；3、待炉温升到750o C后，向炉内滴入甲醇，这时，甲醇分解出来的气体将炉内的空气排除；待炉中气温升到800o C时，再滴入煤油，并控制两者的加入量调节炉内的碳势；4、温度升到910O C时，将试样装入炉内，渗碳程序（见表一）开始，并留二人守炉；5、渗碳完成、待炉温降至850O C时，从炉中取出试样进行淬火；5、将淬火后试样在砂轮机上将它切成若干长约1cm的小试样，两人一份；6、将每人手中的试样进行相嵌，然后再研磨、抛光、腐蚀，最后放到金相显微镜上观察，并对它进行硬度测定（将其硬度值填入表二中），记下它的金相照片（如图示）。

渗碳表层组织（400×）心部组织（400×）六、注意事项：1、向炉内滴入甲醇后，必须将从炉中排出的气体点燃，以免排放到空气中污染坏境2、对金相进行磨制时，应特别注意，应将其表面磨光，以利于后面的金相观察。

3、对试样进行腐蚀时，一定要注意腐蚀适中，太浅显示不出金相，太深也不利于观察。

由20CrMnMo谈渗碳件表面碳含量如何控制？不锈钢管重量在线计算公式。

渗碳件表面碳含量及其分布梯度对渗碳层的性能有重要影响。

表面碳含量过高、过低或表面脱碳等都将对渗碳件表面强化效果产生不良影响。

我公司生产的某种渗碳件工艺方法为渗碳→炉内风冷→机械加工→加热淬火→清洗→回火→磨削，渗碳后重新加热淬火过程中使工件表面发生轻微脱碳，再采用磨削的方法去除脱碳层，同时修正淬火过程中发生的畸变，可以有效提高产品尺寸精度。

本文结合我公司生产实际，对渗碳件的表面碳含量分布情况进行检测分析，确定脱碳层深度并验证磨削加工余量的合理性。

1.试验方案渗碳件材质20CrMnMo，表面碳浓度要求0.75%～0.95%，渗碳有效硬化层深度1.8～2.4mm，表面硬度56～62HRC。

由于渗碳件的形状结构不便于表面碳的检测，使用随炉试样进行代表性检测。

随炉试样规格φ25mm×50mm，材质20CrMnMo，数量6个。

渗碳设备为易普森多用炉生产线TQF-27-ERM。

（1）渗碳。

随炉试棒标识1-6号，随工件渗碳后炉内风冷，渗碳工艺曲线见图1。

图1渗碳风冷工艺曲线（2）二次淬火。

渗碳风冷后4～6号试棒随工件重新加热淬火，气氛碳势设置为0.18%，加热至840℃±10℃保温1h，好富顿K油淬火。

（3）试样制备。

试棒从端部线切割制取φ25mm×10mm表面碳试样，并标记检测面及标号1～6。

（4）表面碳检测。

①清洁表面碳试样。

②用千分尺测量试样原始长度并记录。

③平面磨削量0.1mm，测量长度并记录。

④直读光谱仪检测表面碳含量并记录。

⑤每磨削0.1mm测定长度及碳含量一次。

（5）有效硬化层深度检测。

对4～6号试棒采用维氏硬度计检测硬化层深度。

（6）渗碳件实物剖检。

对渗碳件进行实物剖检硬化层深度及金相分析。

2.试验结果及分析共对6个试样进行了8次磨削及表面碳含量的检测。

各试棒的单次磨削量、累计磨削量及相应的表面碳含量记录见表1、表2。