35CrMo淬硬钢回火性能与快速回火特性的数值模拟

发布于:2021-09-19 06:59:34

第 26 卷第 3 期 2004 年 9 月

南昌大学学报? 工科版 Journal of Nanchang University ( Engineering & Technology)

Vol. 26 No. 3 Sep . 2004

   文章编号 :1006 - 0456 ( 2004) 03 - 0031 - 03

35CrMo 淬硬钢回火性能与

快速回火特性的数值模拟
宛农1 ,郑志强2 ,陈克燕3
( 11 武汉工业学院 机械工程系 ,湖北 武汉 430023 ;21 南昌大学 机电工程学院 ,江西 南昌 330029 ; 450 500 550 42. 2 41. 2 37. 7 36. 6 31 南昌大学 科技处 ,江西 南昌 330047)
[ 2 ,3 ]

   摘要 : 通过对淬硬钢在不同温度经 1 h 回火后硬度的数据处理 ,运用淬火钢回火理论方程对 35CrMo 钢回火硬 度与回火温度和回火时间之间的定量关系进行了数值模拟和验证 ,为合理确定 35CrMo 钢快速回火工艺参数提供 科学依据 . 关键词 :35CrMo 钢 ; 回火硬度 ; 数值模拟

   35CrMo 钢因具有良好的综合力学性能和工艺 性能而被机械 、 汽车和石化等行业广泛用于制造传

动轴 、 曲轴和紧固件等零部件 ,其最终使用状态通常 为淬火 + 回火状态 . *年来由于节能和提高功效的 要求 ,快速回火工艺 [ 1 ] 得到迅速推广 , 其技术基础 就是回火温度与回火时间的互换性 . 本文通过 数值模拟方法揭示了 35CrMo 淬硬钢回火性能与其

回火参数之间的定量关系以及快速回火特性 , 以期 为 35CrMo 钢快速回火工艺参数的选择提供依据 .

1  35CrMo 淬硬钢回火方程

文献 [ 4 ,5 ] 对无二次硬化效应的淬火钢回火过

程中采用 Hollmon 回火参数 [ 2 ] 和微分法进行了解 析 ,得出淬火钢回火硬度 H 、 回火温度 T 和回火时 τ之间满足如下方程 : 间
d H1 lgτ ) ( 1) ln ( 1 + dT C 式中 : H1 — 淬火钢在标准回火态 (τ= 1 h) 下温度为
H = H1 + ( T + 273)

T 时的回火硬度 ; T — 回火温度 ;τ— 回火时间 ; C —

与钢的成分有关的 Holloman - J affe 常数 ,一般取 20

左右 [ 2 ] . 35CrMo 淬硬钢 ( 淬火态硬度为 51. 3 HRC) 在 标准回火态 (τ= 1 h) 下回火硬度 H1 与回火温度之 间的关系见表 1 所示 [ 3 ] .
回火温度/ ℃ 400
HRC

表1  35CrMo 淬硬钢回火硬度 ( 1 h 回火)

收稿日期 :2004 - 02 - 25 作者简介 : 宛农 ,男 ,1962 年生 ,副教授 ,华中科技大学博士后 1

中图法分类号 : T G15615      文献标识码 :A
600 32. 6

   对表 1 中回火硬度 H1 与回火温度 T 之间关系

采用多项式拟合 , 可得到如下关系式 ( 相关系数 r2 = 0 . 995 4) : H1 = 36 . 66 + 0 . 055 3 T ( 2)    . 028 6 × - 4 T 2 1 10 将式 ( 2) 代入式 ( 1 ) , 整理后便得到 35CrMo 淬

硬钢在 400~600 ℃ 之间的回火方程式 : H = 36 . 66 + 0 . 055 3 T - 1 . 028 6 × 10 - 4 T 2 +   ( T + 273) ( 0 . 055 3 - 2 . 057 2 × - 4 T ) 10 lgτ ) ( 3)    ( 1 + ln
C

2  回火方程验证

在式 ( 3) 分别取 T = 400 ℃、 ℃、 450 500 ℃、 550 ℃ 600 ℃,将 35CrMo 淬硬钢在不同时间回火条 和 件下的计算值 ( 取 C = 20 [ 2 ] ) 连同文献 [ 3 ] 回火试验 数据绘制在同一坐标图上 , 见图 1 所示 . 比较图 1 中 模拟曲线和试验值可以发现 , 除 400 ℃ 450 ℃ 和 短 时 ( ≤ min) 回火两者存在最大约 HRC2 ~ 3 的差 10 别外 ,其他部分两者完全吻合 . 对于 10 min 内短时回火出现的误差 ,分析其原 因 ,可能与以下两个方面有关 : 1) 式 ( 2) 的回归处理并未采用 400 ℃ 以下回火 硬度数据 ,导致 400 ℃ 处标准回火曲线的斜率计算 不够准确 ,从而使回火理论硬度计算值下降过快 ; 2) 在温度相对较低的盐浴炉中短时回火 , 试样 达到预定回火温度的时间占整个回火时间的比例相

?32 ?

南昌大学学报? 工科版

2004 年

图2  35CrMo 钢回火硬度与回火温度和回火时间的关系 图1  35CrMo 钢回火硬度模拟值与试验值比较 ① 400 ℃; ② 450 ℃; ③ 500 ℃; ④ 550 ℃; ⑤ 600 ℃

对较大 ,即实际回火保温时间并未达到预定时间 ,从 而导致实际测量硬度偏高 . 以上对比分析结果说明只采集极少数试验数据 (即标准态回火试验数据 ) 的式 ( 3 ) 可以用来描述
35CrMo 淬硬钢 400 ~ 600 ℃之间不同时间回火过

程中硬度的变化规律 .

3  回火特性模拟分析
当回火温度 T 不变时 , 式 ( 3 ) 对时间 τ求一阶 和二阶偏导 , 整理后得到如下关系 : 5 H) K ( ( 4) = ) 5τ T τ( C + lgτ ) 52 H ) - K[ ( C + lgτ ln10 + 1 ] ( ( 5) 2 T = 2 τ ( C + lgτ 2 ) 5τ 其中
K= ( T + 273) ( 0 . 055 26 - 2 . 057 1 × 10
4

图3  35CrMo 钢等温回火曲面曲率与回火时间的关系

下降趋于*缓 , 属于回火稳定状态 , 常规回火工艺参 数一般在这个区间选择 . 由图 3 中等温回火曲面曲率 ρ变化规律可以发 现 , 曲率峰值随回火温度 T 的改变而变化 , 在较高 的温度回火时曲率峰值低于在较低温度回火时的曲 率峰值 , 且曲率峰值出现的时间在延长 . 这一现象说 明 , 在 400~ 600 ℃区间等温回火时 ,35CrMo 钢高 温区回火时间效应相对中低温区回火来说能够保持 较长的时间 ,也就是说 ,35CrMo 钢高温区快速回火 工艺参数的可调性较好 , 这一点与碳钢回火正好相 反 [ 6 ] . 其原因是 35CrMo 钢中 Cr 、 等合金元素降 Mo 低碳的扩散速度和增加钢的回火抗力 , 相对于碳钢 而言需要更高的回火温度和时间来达到回火稳定状 态 ,从而决定了 35CrMo 钢高温区快速回火工艺参 数的选择范围比碳钢要宽松 .

T)

ln10

( 6)

由式 ( 4) 至 ( 6 ) 不难确定 35CrMo 淬硬钢 400 ~ 600 ℃ 之间等温回火硬度曲面曲率 ρ的关系式 : τ( τ ( ) τ ) ρ= | K C + lg [ C + lg ln10 + 1 ] | ( 7) 3 2 2 2 ) [τ ( C + lgτ + K ] 2 利用 式 ( 3 ) 和 式 ( 7 ) 可 以 确 定 回 火 参 数 对 35CrMo 淬硬钢回火硬度的影响规律 , 见图 2 、 3 图 所示 . 由图 1 、 2 可以看出 , 在 τ ≤0 . 1 h 的回火初 图 期 ,35CrMo 淬硬钢回火硬度 H 呈急剧下降趋势 , 且 回火温度 T 越高 , H 下降幅度越大 , 属于回火非稳 定状态 ;τ在 0 . 1~0 . 5 h 之间 , 回火硬度 H 下降幅 度减缓 , 属于回火准稳定状态 , 快速回火工艺参数通 常在此区间选择 ; 当 τ≥ . 5~1 h 后 ,回火硬度 H 0

4  快速回火特性分析
根据式 ( 3 ) 和文献 [ 6 ] 可以对 35CrMo 钢和 45 钢为获得回火硬度为 HRC40 时的快速回火参数进 行数值模拟 , 结果见图 4 所示 . 模拟结果显示 , 在 6

第3期

宛农等 :35CrMo 淬硬钢回火性能与快速回火特性的数值模拟

?3 3 ?

~30 min 快速回火时间里 ,35CrMo 钢和 45 钢对应 的 回 火 温 度 区 间 分 别 为 478 ~ 513 ℃和 430 ~
455 ℃,说明 35CrMo 钢的回火温度不仅比 45 钢 高 ,而且回火温度区比 45 钢宽松 , 且回火时间低于 6 min 时的回火曲线较 45 钢*缓 , 表明 35CrMo 钢 快速回火工艺性能优于 45 钢 . 此模拟结果与上述曲 率分析结论一致 .

进行了数值模拟和验证 , 并与 45 钢作了比较分析 . 结果表明 35CrMo 钢的回火特性决定了其具有比碳 钢更好的快速回火工艺性能 , 模拟结果与实际情况 相符 ,可用于指导相应钢种回火工艺及快速回火工 艺的制定 .

参考文献 :
[1 ]   赵朝文 . 钢淬火后高温快速回火工艺的可行性 [J ] . 金

属热处理 ,1996 , ( 11) :21 - 24.
[ 2 ]  Karl - Erik Thelning. Steel and Its Heat Treatment [ M ] . 2nd ed. London : Printed in Great Britain by Mackays of Chat ham Ltd ,1984. 288 - 289. [3 ]   王学前 ,陈治娟 . 35CrMo 钢的回火方程 [J ] . 四川工业

学院学报 ,1989 ,8 ( 3) :194 - 199.
[4 ]   宛农 ,等 . 淬火钢回火时间效应的数值模拟 [J / OL ] . 中

国科技论文在线 ( http :/ / www. paper. edu. cn) ,2004 02 - 17. [5 ]   宛农 ,等 . 淬火钢回火方程的推导与解析 [J / OL ] . 中国

科技论文在线 ( http :/ / www. paper. edu. cn) ,2004 - 02
- 17.

图4  35CrMo 钢和 45 钢等回火硬度曲线对比

[6 ]  宛农 , 等 . 淬硬碳钢回火通用方程的推导与解析 [J / OL ] . 中国科技论文在线 ( http :/ / www. paper. edu. cn) , 2004 - 02 - 17.

5  结论
对 35CrMo 淬硬钢的回火性能和快速回火特性

Numerical Simulations of Tempering Properties and Rapid Tempering Characteristics of H ardened Steel 35CrMo
WAN Nong1 ,ZHEN G Zhi - qiang2 ,CHEN Ke - yan3
( 1 . Depart ment of Mechanical Engi neeri ng , W uhan Polytechnic U niversity , W uhan 430023 , Chi na ;

2 . School of Mechanical and Elect rical Engi neeri ng , N anchang U niversity , N anchang 330029 , Chi na ; 3 . Depart ment of Science and Technology , N anchang U niversity , N anchang 330047 , Chi na)

Abstract :Based on tempering t heoretical equation t he quantitative relationships among tempering hardness , tempering temperat ure and tempering time were numerically simulated and verified t hrough hardness data processing of hardened steel 35CrMo tempered at varying temperat ures for an hour ,which provided t he scientific basis for rational determination of rapid tempering process parameters of hardened steel 35CrMo . Key Words :steel 35CrMo ;tempering hardness ;numerical simulation


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