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化学成分对 35CrMo 钢淬透性影响数值模拟分析

钢的淬透性是决定零部件在热处理过程中性能高低的重要参数之一。在实际生产中,35CrMo钢各项元素含量的在一定范围内,而非固定值 ,成分不固定会直接影响钢的淬透性。通过模拟计算和实际试验对比分析,结果显示:JMatpro 软件模拟 35CrMo 钢淬透性的准确性较高。利用 JMatpro 软件对 35CrMo钢中各项元素不同含量进行模拟计算,结果发现:CSiMnCrMo 五种元素的含量对 35CrMo 钢的淬透性都有影响,其中 CSi 元素对淬透性的影响要比其他三种元素稍高。 


35CrMo 钢是一种中碳合金结构钢,主要应用于要求高韧性、较大冲击、抗弯能力强的重要零件,如变轴、齿轮、汽轮机发动机转子等,在机械制造行业应用非常广泛。35CrMo钢在使用前要经过调质处理,而淬火是得到较高强度韧性的重要过程。在实际生产中,35CrMo钢各项化学成分是在一定范围内,而非固定值 ,化学成分的不同会影响钢的淬透性,从而影响调质后钢的性能。特别是在生产中,无法对每种化学成分的 5CrMo 钢进行端淬试验。目前,35CrMo 钢的研究主要集中于调质工艺[1]、耐腐蚀性能[2]等方面,对于化学成分对 35CrMo 钢淬透性影响方面的研究较少。本文利用 JMatpro 对不同化学成分的 35CrMo钢进行淬透性模拟计算,分析各项元素含量对淬火性能的影响,对于实际生产有着重要的指导意义 。


淬透性计算方法

钢在一定条件下淬火时获得马氏体组织深度的能力 称为淬透性 [3]。淬火后的钢,不仅表面而且在一定深度内也有不同程度的硬化 。JMatpro 软件中采用的淬透性计算方法为末端淬火试验法[4]Jominy法),如图 所示。


将一个直径 30mm 的钢进行端部淬火,根据不同位置马氏体的含量确定钢的淬火能力,随着距离水冷端越远,冷却速度越慢,马氏体的含量也越低 ,淬硬层深度越浅。冷却速率计算: 

其中


计算距离水冷端不同位置处的冷却速度,它是温度和距离水冷端距离 的函数。Ta 是奥氏体转变临界温度,?是热扩散率,随着 变化,与不同位置处的实际温度 有关,还与奥氏体的转变温度有关。 


模拟计算与试验 

通过模拟计算和实际试验对比分析,验证 JMatpro 软件对于 35CrMo 钢淬透性模拟计算的准确性,35CrMo 钢化学成分如表 所示。 


2.1 TTT 图模拟计算

TTT 图(曲线)是反映过冷奥氏体等温冷却时,转变产物类型以及转变量与时间,温度之间的关系曲线[5]。根据 TTT 图(图 2)可知,35CrMo 钢在冷却时首先析出铁素体,温度为 792℃,珠光体析出温度744.4℃,贝氏体析出温度 591℃,马氏体开始转变温度为 364℃,转变结束温度为 250℃。 



2.2 淬透性模拟及试验 

根据图 可以看出,在淬火端表面钢的强度和硬度值最高,屈服强度 1731.69MPa,抗拉强度 1936.32 MPa,硬度 HV=615.87。根据图 显示,距离端面 0.38mm 时,非马氏体的含量为 50%,距离端面0.7mm 时,非马氏体的含量为 90%。 



为验证 JMatpro 软件模拟的准确性,进行末端淬火试验。图 为淬火端 0.38mm 处显微组织,采用型号为 Olympus-DSX500 的金相显微。35CrMo 钢淬火组织为板条马氏体+贝氏体+少量铁素体,利用面积法计算得出马氏体含量为 51.6%。采用 MH-5 数字式显微硬度计对试样进行测量,表 可以看出,模拟计算硬度与实际试验硬度差距不大。通过试验证明,JMatpro软件模拟 35CrMo 钢淬透性的准确性较高。 




化学成分对淬透性影响模拟计算 

根据 35CrMo 钢化学成分标准,对于可能影响淬透性的 CSiMnCrMo 五种元素进行含量设定,每个元素含量分别取其上限、中间值及下限 ,如表 所示。对 13 组化学成分的 35CrMo 钢进行淬透性模拟计算。 



13 组不同元素含量淬透性模拟计算结果如表 所示。结果显示:CSiMnCrMo五种元素的含量对35CrMo 钢的淬透性都有影响。1#4#6#8#10#分别为 CSiMnCrMo 五种元素为变量,当其中一种元素为变量取下限时,另外四种元素取范围内中间值,马氏体为 50%的距离均在 0.44cm 左右,如图 6a 所示;同样,3#5#7#9#11#分别为 CSiMnCrMo 五种元素在范围含量内的上限结果,马氏体为 50%的距离均在 0.55cm 左右,如图 6b 所示。其中 CSi 元素对淬透性的影响要比其他三种元素稍高。 




2#12#13#分别为五种元素均取平均值、下限、上限。结果显示,2#含马氏体 50%0.48cm 处,12#含马氏体 50%在 0.31cm 处,13#含马氏体 50%在 0.78cm 处,如图 所示。当各项元素含量均取下限时,35CrMo 钢的淬透性较差;当各项元素含量均取上限时,淬透性较好。



结论 

135CrMo 钢在冷却时首先析出铁素体,温度为 792℃,珠光体析出温度 744.4℃,贝氏体析出温度591℃,马氏体开始转变温度为 364℃,转变结束温度为 250℃。 

2CSiMnCrMo 五种元素的含量对 35CrMo 钢的淬透性都有影响。当其中一种元素为变量取下限时,另外四种元素取中间值,马氏体为 50%的距离均在 0.44cm 左右;当其中一种元素为变量取上限时,另外四种元素取中间值,马氏体为 50%的距离均在 0.55cm 左右。其中 CSi 元素对淬透性的影响要比其他三种元素稍高。 

3)当各项元素含量均取下限时,35CrMo 钢 的淬透性较差;当各项元素含 量均取上限 时,淬透性较好。


参考文献 

[1] 陆金二. 35CrMo 钢的热处理[J].热处理,1999,(4):25-28. 

[2] 郝文魁,等. 35CrMo 钢在酸性 H2S 环境中的应力腐蚀行为与机理[J].机械工程学报,2014,(4):56-60.

[3] 于晃,利用 JMatpro 软件对 40NiCrMo7 钢热处理参数的计算[J]. 沈阳市科学技术协会会议论文集

[4] 边书.高铁用 25CrMo 车轴钢淬透性的研究[D].沈阳理工大学,2012. 

[5] 刘国勋.金属学原理[M].北京 :冶金工业出版社,1980,149-151. 


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