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有限元法数值模拟S5120热处理过程

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铸锻合金热处理数值模

拟及软件应用报告

有限元法数值模拟S5120热处理过程

学号：1111900305

姓名： 贾晓俊

摘要 ：

本文主要是简单的应用ABAQUS软件数值模拟直径60mm，高60mm材料为S5120的圆柱体工

件在渗碳过程表层碳含量变化，淬火过程中的应力变化、组织变化、温度场变化、硬度变化；

采用有限元分析方法，本文主要选取两个位置进行上述各方面的变化模拟，分别是轴心上的

一点（333）和表面上的一点（634）；从模拟结果中可以看到渗碳过程中只有表面一定深度范

围内（小于1mm）碳含量有变化，表面碳含量上升到碳势，心部及绝大部分区域碳含量基本

不变；马氏体相变导致珠光体和铁素体含量均由表面向心部逐渐增大；硬度则是表面最大，

一定深度内骤减到心部硬度；表面应变最大，最小应变在矩形中部一个大约圆环的区域处；

淬火应力只是在轴向心部为拉应力，其余方向各个位置均为压应力；上贝氏体和下贝氏体转

变量最多均发生在距表面一定深度范围内的区域，随后向靠近心部区域逐渐减少，而表面含

量最少。

模型简述

由于圆柱体形状具有对称性，将圆柱体简化为一个二维平面上的矩形，长60mm，宽

30mm，只需对该矩形在渗碳和淬火过程中的变化进行模拟即可表征整个圆柱体的变化；先将

材料在炉子中加热，进行渗碳处理，达到要求后再将材料进行淬火热处理，冷却过程中发生组

织转变；渗碳过程中将材料放在具有一定碳势的渗碳介质中，其初始条件为原材料的碳含量，

边界条件为表面碳含量为渗碳介质碳势（不考虑表面碳含量上升到介质碳势的时间）；淬火过

程中先将渗碳后的材料加热到临界温度Ac3以上30-50℃使之完全奥氏体化，然后以大于一定

临界冷却速度冷却，加热过程中对于温度场而言，初始条件即为材料的初始温度，边界条件为

热交换方程。

结果分析

1、渗碳过程

渗碳过程中表面碳含量必然比轴心处大，并且表面碳含量的变化也大，表面碳含量达到

渗碳介质的碳势后，将不再上升并保持，表面碳含量升高的同时碳也会向材料内部扩散，由

于扩散过程中恒温，根据相律可知不可能存在两相共存的状态，所以在碳扩散的时候发生铁

素体向奥氏体的转变时，两相之间有一个明显的界面，并且这个界面随着碳的扩散向心部推

移。

图1 333与634点碳含量变化

从上图中可以看出333与634点在同一时间点碳含量有一个突增，随后碳含量变化较小，

并且333（轴心上的点）的碳含量比634（表面上的点）低，634点处的碳含量还在不断增加，

最终可达到渗碳介质碳势。

从下图中可以明显看到，碳在表面上的浓度比内部高，且内部的碳浓度基本在渗碳过程中

处于不变，而只是在距表面一定深度范围内碳浓度才会发生变化。

图2 碳分布

2、淬火过程

2.1温度变化

淬火过程中先将材料加热到临界温度以上一定温度后，保温一段时间后再进行冷却，整个

过程温度场的变化如下图：

图3 333与634点淬火过程温度变化

从上图可看出两点之间的温度变化基本同步，存在的差别较小，与实际相差较大；实

际热处理过程中心部的温度必然要比表面低，并且总是落后于表面，这是模拟过程的一个

不足之处。

2.2应力变化

图6 333与634点圆周方向应力变化

从X轴应力变化图看出，333点（轴心处）的应力在冷却刚开始时基本不变，一定时间后

有一微小的上升，634点（表面处）在冷却刚开始时就发生剧烈变化，表面应力先为拉应力然

后变为压应力，经过剧烈变化后在一定时间内一直保持一定的拉应力，基本在 333点应力变化

的同一时间点634点处的应力突然变化压应力，最终保持一定的压应力；表面应力刚开始的剧

烈变化时由于组织变化引起，随后的稳定阶段是转变后的组织一直处于稳定状态，没有再次发

生相变，最终的变化应该是内部的组织变化引起外表面形成压应力。

从Y轴应力变化图看出333与634点在刚开始的时候均发生剧烈变化，随后轴心处处于

拉应力，表面处于压应力，经过一段时间后应力再次发生剧烈变化，使得轴心与表面均处于压

应力状态，并且表面处的压应力更大于轴心处；刚开始的剧烈变化时由于表面相变引起在Y轴

方向上的尺寸变化，致使出现表面压与心部拉的应力状况，最后的巨变阶段是由于心部的相变

引起。从Z轴应力变化图看出其变化与Y轴类似，原因必然与上诉引起Y轴变化的原因相同，

这里不再具体阐述。

冷却过程刚开始时，

333

与

634

点的

三个

方向

应力

变化

进行比较：

图 4 333点与634点轴向应力变化

图 5 333点与634点周向应力变化

径向应力分布图可以与X轴应力变化相对应，根据点333与634的位置，从径向应力分

布图中可以看到，点333处于压应力状态，点634处于拉应力状态，这与表面发生相变有关。

轴向应力分布也和 Y 轴应力变化的最终应力状态相对应，表面 634 点处于压应力状态，

心部333点也是处于压应力状态，但表面的压应力明显比心部的压应力大。

从应变图中可以得到在淬火过程中，表面处的应变较大，特别是材料的两个外圆周棱角上，

心部轴向方向上的变形较小，从表面向心部的变形逐渐变小趋势；从硬度图上看表面较小深度

范围内硬度值较高，然后快速过渡到基本与心部硬度相同的位置，显然这是由于淬火过程中表

面一定深度范围内相变生成马氏体，使得硬度最高，而心部淬火生成马氏体的含量小于表面。

2.4相变

图

7

选点

333

处（红点处）

图

8

径向应力分布

图

10

轴向应力分布

图

9

选点

634

（红点处）

2.3

应变及硬度

图

11

应变分布

图

12

硬度分布

2.4.1奥氏体变化

在淬火过程主要发生奥氏体向马氏体的转变，同时由于材料各个位置的冷却速度不同会伴

随有奥氏体向贝氏体或者珠光体的转变，同时还有部分残余奥氏体存在。

图13 奥氏体含量变化

开始阶段淬火过程加热阶段使材料奥氏体化，奥氏体含量剧然上升，表面奥氏体含量

的上升速率比心部快，这是由于表面总是比心部优先加热，一段时间后表面和心部都达到奥

氏体化后，奥氏体含量保持一定，冷却过程中奥氏体发生转变，下降曲线中表面和心部还是

有微小差别的，表面奥氏体含量要比心部下降得稍微快一点，这也是由于冷却过程中，表面

优先降温发生相变。

上面两图表示奥氏体转变的初始阶段和末态阶段奥氏体的分布，初始阶段只有表面的奥氏

体含量下降，而心部及很大范围内的奥氏体含量基本不变，初始阶段相变只有在表面发生；末

态阶段反而是表面很小深度范围内奥氏体含量相对心部较多，这些奥氏体均为残余的奥氏体，

材料绝大部分奥氏体含量均降低到心部含量。

图

14

奥氏体初始

分布

图

14

奥氏体

末态

分布

2.4.2

马氏体变化

图

15

马氏体

变化

图

16

马氏体

含量

变化

曲线

从模拟图中可以看到，马氏体变化主要在表面及表面一定深度范围内，心部及材料绝大部

分基本不含马氏体；从模拟马氏体含量变化曲线上可以印证模拟图中的结果，表面马氏体含量

明显大于心部，心部也有一定的马氏体，但含量相对于表面而言就很小。

2.4.3铁素体变化

由于材料S5120钢是亚共析钢，所以其中还含有多余的铁素体存在，在淬火过程中也

铁素体变化曲线上刚开始时，由于材料奥氏体化，将多余的铁素体溶入到奥氏体中，因此

曲线上铁素体的含量下降，同理也是由于表面优先加热，表面的铁素体含量下降得比心部快；

冷却过程中由于发生马氏体转变，马氏体转变为非扩散性相变，因此多余的铁素体不能从奥氏

体中析出，表面的铁素体含量就相对较少，相反心部马氏体转变相对表面较延迟，有足够的时

间使得铁素体从奥氏体中析出，从而心部的铁素体含量较高。

图21上贝氏体变化 图22 下贝氏体变化

由于冷却过程中某些区域冷却速度低于临界速度，就会发生贝氏体转变，由于冷速的差

别贝氏体转变可形成上贝氏体和下贝氏体两种；上贝氏体的冷速相对与下贝氏体而言要稍微

低一些，从上贝氏体的变化曲线中可以看出表面的含量要比心部多，表面生成上贝氏体的冷

速比心部更适合，而生成下贝氏体则不然，下贝氏体在表面的含量呈现波动的趋势，在心部

含量一定；从模拟图上也可以看到上贝氏体的含量最大的位置主要存在于距离表面一定深度

范围内区域，其次才是材料内部，而表面含量最少，这可以通过形成上贝氏体的冷速要求来

解释，离表面一定深度范围冷速最适合上贝氏体生成，其次是心部，而表面由于冷速过快反

而不利于上贝氏体生成；对于下贝氏体而言也是如此，只是由于冷速比上贝氏体稍高，相关存在含量的变化：

图

17

铁素体

变化

图

18

铁素体

含量

变化

曲线

2.4.4

贝氏体变化

图

19

上贝氏体

含量

变化

曲线

图

20

下贝氏体

含量

变化

曲线

合集下载

Deform-3d热处理模拟操作全解

Deform-3d热处理模拟操作全解

Deform-3d热处理模拟操作全解

Deform-3d热处理模拟操作

热处理工艺在机械制造中占有十分重要的地位。随着机械制造现代化和热处理质量管理现代化的发展，对热处理工艺提出了更高的要求。热处理工艺过程由于受到加热方式、冷却方式、加热温度、冷却温度、加热时间、冷却时间等影响，金属内部的组织也会发生不同的变化，因此是个十分复杂的过程，同时工艺参数的差异，也会造成热处理加工对象硬度过高过低、硬度不均匀等现象.Deform—3d软件提供一种热处理模拟模块，可以帮助热处理工艺员，通过有限元数值模拟来获得正确的热处理参数，从而来指导热处理生产实际.减少批量报废的质量事故发生.

热处理模拟，涉及到热应力变形、热扩散和相变等方面，因此计算很复杂，软件采用牛顿迭代法，即牛顿-拉夫逊法进行求解.它是牛顿在17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法.多数方程不存在求根公式，因此求精确根非常困难，甚至不可能，从而寻找方程的近似根就显得特别重要。方法使用函数f（x）的泰勒级数的前面几项来寻找方程f（x） = 0的根.牛顿迭代法是求方程根的重要方法之一，其最大优点是在方程f(x） = 0的单根附近具有平方收敛,而且该法还可以用来求方程的重根、复根等.

但由于目前Deform-3d软件的材料库只带有45钢、15NiCr13和GCr15等三种材料模型，而且受到相变模型的局限，因此只能做淬火和渗碳淬火分析，更多分析需要进行二次开发.

本例以45钢热处理淬火工艺的模拟过程为例，通过应用Deform-3d 热处理模块，让读者基本了解热处理工艺过程有限元模拟的基本方法与步骤.

1 、问题设置

点击“文档”(File）或“新问题”（New problem），创建新问题。在弹出的图框中,选择“热处理导向”（heat treatment wizard)，见图1。 Deform-3d热处理模拟操作全解

图1 设置新问题

2、初始化设置

simufact forming热处理

simufact forming热处理

simufact forming热处理

热处理是一种通过加热和冷却金属材料来改变其物理性质的工艺。它可以改善材料的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，同时提高材料的可加工性和耐用性。在制造业中，热处理技术被广泛应用于各种行业，如汽车制造、航空航天、能源等。本文将重点介绍一个专业的热处理仿真软件——Simufact Forming。

Simufact Forming是一款专为金属成形工艺而设计的仿真软件。它利用有限元方法，在计算机中模拟金属材料在热处理过程中的力学行为。通过Simufact Forming，用户可以预测和优化热处理过程，以达到所需的材料性能。下面，我们将逐步回答关于Simufact Forming热处理的问题。

第一步：软件安装和设置

在使用Simufact Forming之前，用户需要先安装软件并进行相关设置。安装过程通常很简单，用户只需按照安装向导的指示执行即可。设置方面，用户可根据自己的需求进行定制，如选择材料类型、确定热处理参数等。

第二步：几何建模

在进行任何仿真分析之前，我们需要先对所研究的材料进行几何建模。Simufact Forming提供了多种几何建模工具，包括基本几何体创建、实体建模和导入CAD文件等。用户可根据实际情况选择最适合的建模方法，以保证仿真结果的准确性和可靠性。

第三步：网格划分

网格划分是有限元仿真中非常重要的一步。通过将材料划分为许多小的单元，Simufact Forming可以更好地模拟材料的本质行为。在网格划分过程中，用户既需要考虑模型的复杂程度，又需要平衡仿真精度和计算效率的关系。通过合理调整网格密度和质量，用户可以得到准确而高效的仿真结果。

第四步：材料本构模型和边界条件定义

在进行真实的热处理仿真之前，我们需要对材料的本构行为和边界条件进行定义。Simufact Forming提供了多种材料本构模型，如弹塑性、热弹塑性、热弹性等。用户可根据具体情况选择最合适的模型，并指定材料的物理性质和变形规律。同时，用户还需要对边界条件进行设定，如温度、力和位移等。这些定义将直接影响仿真结果的准确性和可靠性。

圣维南原理的有限元模拟

圣维南原理的有限元模拟

圣维南原理的有限元模拟

圣维南原理（Saint-Venant's Principle）是工程力学中的一个重要原理，用于分析材料在受载时的变形和应力分布。该原理假设材料仅在距离应力集中点足够远的地方受到载荷的影响，从而简化了复杂的应力和变形问题。

有限元模拟是一种工程力学中常用的数值计算方法，可以通过将一个复杂的结构或体系离散成许多小的有限元单元，然后利用计算机进行数值模拟和解析。有限元模拟可以有效地分析材料的强度、刚度、变形等力学性质。

在有限元模拟中，圣维南原理可以用来简化材料的边界条件，即只考虑距离载荷集中点足够远的地方的变形和应力。这样可以大大简化计算过程，提高计算效率，并且准确性也能满足实际需求。

圣维南原理主要适用于线弹性材料和几何线性问题。在进行有限元模拟时，需要首先选择合适的有限元类型和网格划分。然后根据问题的边界条件和加载方式，建立材料的刚度矩阵和载荷向量。接下来进行迭代计算，通过求解线性方程组获得每个节点的变形和应力。

在模拟过程中，需要注意以下几点：

1.如何选择适当的有限元类型和网格划分，以使模拟能够在较小的计算误差下得到准确结果。

2.圣维南原理只适用于距离应力集中点足够远的区域，在选择边界条件时需要考虑这一点。 3.模拟过程中要注意选取合适的加载方式和边界条件，以便准确描述实际工程问题。

4.模拟结果应该与实际情况进行对比，以验证模拟的准确性。

有限元模拟在工程实践中具有广泛应用，可以用于预测材料的性能、优化设计方案、评估结构的稳定性等。而圣维南原理作为简化边界条件的一种方法，可以在有限元模拟中减少计算量和复杂性。通过合理应用圣维南原理的有限元模拟，可以更加高效地进行工程力学问题的分析和解决。

所以在有限元模拟计算中,利用蠕变本构方程计算热处理过程中的应力松弛行为,

所以在有限元模拟计算中,利用蠕变本构方程计算热处理过程中的应力松弛行为,

蠕变是指材料在恒定应力或荷载下，随时间的推移而发生形变。在有限元模拟计算中，利用蠕变本构方程可以计算材料在热处理过程中的应力松弛行为。蠕变本构方程描述了材料的应力-应变关系，常用的蠕变本构方程有Norton、Dorn和Sherby-Dorn等形式。

在有限元模拟计算中，针对不同材料的蠕变行为，需要选择适当的蠕变本构方程。这些方程以实验数据为基础，通过曲线拟合等方法得到。下面是一些常用的参考内容，用于模拟材料在热处理过程中的应力松弛行为。

1. Norton本构方程： Norton本构方程是最早应用于蠕变研究的方程之一，它假设材料的蠕变变形由渐进微裂纹的扩展引起。Norton方程可以写成如下形式： ε ̇=ε ̇s(σ) 其中，ε ̇为应变速率， ε ̇s为材料的引导应变速率，σ为应力。Norton方程常用于描述金属和陶瓷等材料的蠕变行为。

2. Dorn本构方程： Dorn本构方程常用于描述塑料材料的蠕变行为，特别是在中高温下。Dorn方程可以写成如下形式： σ=σ0(1+ε ̇/˙ε0)^n 其中，σ为应力，σ0为参考应力，ε ̇为应变速率，˙ε0为参考应变速率，n为指数。Dorn方程通过参数σ0和n来描述材料的蠕变行为。

3. Sherby-Dorn本构方程： Sherby-Dorn本构方程适用于金属和合金的高温蠕变行为。Sherby-Dorn方程可以写成如下形式： ε ̇=Aσ^mexp(-Q/RT)

其中，ε ̇为应变速率，σ为应力，A为常数，m为指数，Q为激活能，R为气体常数，T为温度。Sherby-Dorn方程通过参数A、m、Q来描述材料的蠕变行为。

除了选择合适的蠕变本构方程外，有限元模拟计算中还需要考虑材料的初始条件、边界条件以及模拟的时间步长等因素。此外，要进行有限元模拟计算还需要确定材料的杨氏模量、泊松比等弹性性质，这些参数可以通过实验测量或者经验公式来估计。

需要注意的是，蠕变行为是一个复杂的物理过程，受多种因素影响，如温度、应力、时间等。因此，在实际应用中，需要根据材料的具体情况，选择适合的蠕变本构方程，并结合实验数据进行参数拟合和验证，以获得准确的模拟结果。