合金钢热加工后组织与性能预测.pdf_大学文库

第 14 卷第 6 期 1 9 9 2 年 · 1 1 月北京科技大学 Juo r n a l o f U n vi e sr yit o f Sc l e n e e a n d 学报 V o l . 1 4N o . T eCh n o l o g y Be i jl n g N o v二 1 9 9 2 合金钢热加工后组织与性能预测 + 程礼峰 ’ 杜振民 ` 张奇真 ’ 张维敬 ’ 摘要 : 本文利用计算得到的 C cr 曲线 , 计算出工件在不同冷却条件下的组织分布 , 进而预测对性能的影响。关扭词 : 合金钢 , C C T 曲线 , 组织 , 性能 P r e d ic t i on o f ht e R e l a it o ns h i P 价t w e n M i c r os tr u e t u r e a n d rP o p e r ti e s o f H o t W o rk e d A l o y S t e l s + 刃枷夕 L i户绒g ’ 加 Z 从沉仍i , ’ Z 加二夕争幼曰之` Z 初n g we 云,玩夕 ’ A B’S r R A C T : yB u t i l i z i n g ou r ca le ul a t de C C T一 id a gr am , ht e m ic r 0 6 t r u c t u r al d ist r l b u t l on o n ht e d if f er - e n t e o O li n g sc h e d u les 1 5 de f l n e d . T h e n ht e r e l a t i o n hs i P be t w e e n m i e r os tr u e t u r e a n d m e e ha n i e a l Pr o pe r - t俪 o f h o t w o r k ed 吐oy st e e l s ar e 少 e d i c t ed . K EY W O R D 6 : a l oy s et e l , h o t w or k ed , C C T 一 d i铭 r a m , m i e r o s tr u e t u r e , m e e ha n i c a l rP o ep r t y 为了在合金钢生产和研究中充分利用期长积累的大量数据、经验并结合基础学科形成的有关专业理论 , 北京科技大学材料科学与工程系初步研建了《合金钢专家系统》。目前主要由《 eF 一c 基三元合金相图计算》、《合金钢 c c T 曲线计算》、《合金钢淬透性曲线预测》和《合金钢热加工后组织性能预测》 4 部分组成。本文是《合金钢热加工后组织与性能预测》的研究内容。近年来 , 为了改善钢在热变形加工后的性能 , 并节约能源 , 轧后或锻后的控制冷却技术得到很大重视 , 为此 , 我们设计了非淬火用钢轧后控冷组织性能预测的程序包。这里所说的 19 9 2 一 04 一 17 收稿 + 本工作由国家科委 “ 七五 ” 科技攻关计划资助项目。题号 (7 5 一 28 一 04 一 0弓一。 2) ! 材料科学与工程系 ( eD 阳 rt m en t . 时 M a etr in ls s康 n eC an d nE , n ~ g) · 6 8 7 · DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 06. 018

性能，主要是指材料的力学性能，它与合金钢的组织结构密切相关，所以也可以说本工作是研究材料的组织结构与力学性能之间的相互关系。由于目前对材料的微观结构本身及在各种工艺处理过程中组织结构的变化难以得到全面正确的解释，以及材料的强化机制与组织结构之间相互作用的复杂性，所以现在这项工作还处于发展阶段。 1已有的预测方法近年来，随着测试技术的提高和材料科学在物理学基础领域的进展，为该项工作的研究提供了有力的支持。现在有许多研究人员从事这方面的研究，且因研究的出发点不同，开发出不同的研究方法。已有的预测方法主要是依据C℃T曲线，近似地和实际工件进行比较，而后得到工件不同部分的组织和硬度值。 1.1由提供组织一硬度曲线的特殊CCT图预测组织和性能由德国Max一Plank钢铁研究所出版的CcT曲线图册收集了140多张CcT图。该图册不仅给出了CCT曲线，而且还给出了冷至500℃时组织和硬度与时间的关系曲线。依以下步聚)可预测不同工件的组织和性能。 (1)计算工件各部分冷却到500℃所需时间。 (2)由该时间和CCT曲线可直接得到工件的组织和硬度。 (3)将计算结果进行平滑处理给出工件不同部位上的组织与硬度曲线。 1.2由一般CCT曲线预测工件的组织和性能这是一种传统的方法，即将冷却曲线迭加在CCT曲线上，以获得工件组织与硬度的分布。具体步骤如下： (1)计算工件冷却曲线或实际测定冷却曲线。 (2)通过插值法由冷却曲线和CCT曲线数据求出工件组织分布。 (3)由组织分布计算硬度分布。 (4) 处理计算结果，给出组织与硬度的分布曲线。 2由TTT曲线预测工件组织与性能本方法是先确定材料的组织状态，然后利用组织与性能之间的关系来计算材料的性能。之所以选择由TTT曲线而不用传统的CCT曲线来预测工件组织性能，主要是由于冷却条件的变化对CCT曲线影响很大，这就会产生一定的误差。另外这种方法可以充分利用现有的TTT曲线信息资源，比较直接地计算实际工件的组织和性能。这种方法与淬透性预测方法制基本相同，其区别仅在于预测对象的尺寸和冷却条件的不同。即： (I)计算工件的冷却曲线，根据经典热传导方程，在已知冷却条件下（边界条件与初始条件，求出任意点在任意时间下的温度值，由此可描绘每一点的冷却过程。 ·688·

性能 , 主要是指材料的力学性能 , 它与合金钢的组织结构密切相关 , 所以也可以说本工作是研究材料的组织结构与力学性能之间的相互关系。由于目前对材料的微观结构本身及在各种工艺处理过程中组织结构的变化难以得到全面正确的解释 , 以及材料的强化机制与组织结构之间相互作用的复杂性 , 所以现在这项工作还处于发展阶段。 1 已有的预测方法近年来 , 随着测试技术的提高和材料科学在物理学基础领域的进展 , 为该项工作的研究提供了有力的支持。现在有许多研究人员从事这方面的研究 , 且因研究的出发点不同 , 开发出不同的研究方法。已有的预测方法主要是依据 C C T 曲线 , 近似地和实际工件进行比较 , 而后得到工件不同部分的组织和硬度值。 .] 1 由提供组织一硬度曲线的特殊 c C T 图预测组织和性能由德国 M ax 一 P l a n k 钢铁研究所出版的 c cr 曲线图册川收集了 1 40 多张 c 件图。该图册不仅给出了 C cr 曲线 , 而且还给出了冷至 50 0 ℃ 时组织和硬度与时间的关系曲线。依以下步聚〔 2 ,可预测不同工件的组织和性能。 ( 1) 计算工件各部分冷却到 5 0 ℃ 所需时间。 ( 2) 由该时间和 c cr 曲线可直接得到工件的组织和硬度。 ( 3) 将计算结果进行平滑处理给出工件不同部位上的组织与硬度曲线。 1 . 2 由一般 c c T 曲线预测工件的组织和性能这是一种传统的方法 , 即将冷却曲线迭加在 c c T 曲线上 , 以获得工件组织与硬度的分布。具体步骤如下 : ( ” 计算工件冷却曲线或实际测定冷却曲线。 ( 2) 通过插值法由冷却曲线和 c cT 曲线数据求出工件组织分布。 ( 3) 由组织分布计算硬度分布。 (4 ) 处理计算结果 , 给出组织与硬度的分布曲线。 2 由 T T T 曲线预测工件组织与性能本方法是先确定材料的组织状态 , 然后利用组织与性能之间的关系来计算材料的性能。之所以选择由 T T T 曲线而不用传统的 C C T 曲线来预测工件组织性能 , 主要是由于冷却条件的变化对 C C T 曲线影响很大 , 这就会产生一定的误差。另外这种方法可以充分利用现有的 T T T 曲线信息资源 , 比较直接地计算实际工件的组织和性能。这种方法与淬透性预测方法〔 3〕基本相同 , 其区别仅在于预测对象的尺寸和冷却条件的不同。即 : ( l) 计算工件的冷却曲线 , 根据经典热传导方程 , 在已知冷却条件下 (边界条件与初始条件 , 求出任意点在任意时间下的温度值 , 由此可描绘每一点的冷却过程。 · 6 88 ·

( 利用已建立的 2 ) , r r l , 曲线数据库和计算得到的冷却曲线 , 可以计算工件冷却后各部分的组织状态。 ( 3) 根据组织与性能之间的关系计算工件各部分的力学性能。 3 工件冷却曲线的计算无论是己有的预测方法 , 或本文提出的方法 , 都需要符合实际的工件在不同冷却条件下的冷却曲线。程序设计中关于工件类型我们仅考虑了圆棒材、方钢和板材。这里介绍处理圆棒材和情况。圆棒材的冷却由于呈圆对称状态 , 且在连续生产中长度方向是稳定的 , 故可看成一维热传导 , 其方程为 : 〔 ” 生头 , * 马十 Q 一李衅) r 乙叮 . 记刀 . ` 砚 ( l ) 式中 : k 导热系数 ( J / m · S · K ) T 温度 ( K ) p 材料密度 ( k s / m , ) t 时间 ( s ) 材料比热 ( J / gk · K ) 工件半径 ( m ) 以及 Q 为冷却过程中单位时间、单位体积内相应变发生时所释放的热量。工件表面是第三类边界条件 , 工件心部为绝热边界条件 , 这样工件的初值与边界条件为 : T ( , , 0 ) = T 。豹 ( 2 ) 一 *豁卜一 ” ( , 一少“ ’ 其中叭为样品加热温度 , T 介为水温 , h 为热交换系数。在控制冷却的情况下 , 初值和边值都将随控制条件变化而变化。显然 , 这只能用数值解。术女用有限差分法处理这个问题。 4 程序结构图及结果试用图 1 是程序设计的结构图。主程序由 oF 山an 语言编制 · ; r n , 曲线的数值化 , 在 A u to c A D 支持下进行 ; 数值化后的 n T 曲线文件和钢的成分、工艺特征 , 存入 D B即沁 l 数据库 , 供计算时检索调用 ; 计算结果的图形显示和输出利用了 G r a p h e r 图形处理软件。整个程序系统通过人机对话自动执行。它由数据输入、 r l , I , 曲线及热物性参数数据库检索、计算 A var 而方程系数、计算组织转变量、计算硬度曲线和绘图等程序模块组成 . 利用该程序库 , 我们计算了不同钢种、不同冷却条件下 ` 5 ,获得的组织转变量和硬度值。图 2 是对 37 Mn is s 钢的预测结果。 · 6 8 9 ·