（材料学专业论文）zdph高纯净锻钢制动盘材料热处理工艺及组织性能研究.pdf

中文摘要 摘要：高速列车已成为我国铁路交通业的发展方向，制动盘是列车行驶安全 至关重要的基础装置。z d p h 高纯净锻钢是为我国3 0 0 k m h 高速客车开发的制动盘 材料，作为新钢种，研究热处理工艺，分析其组织性能，并规范图谱对材料在制 动盘上的推广应用有重要意义。 本研究在综述热处理基本类型、热处理新技术的发展基础上，对一种新开发 的高速列车制动盘材料( z d h p 高纯净锻钢) 的热处理工艺及组织性能展开深入研 究，通过蒙托卡洛随机抽样一复形优化的计算机方法优化了其热处理工艺，研究 工艺参数对材料性能的影响，测试了其力学性能，观察并分析其微观组织结构， 结果表明： 1 采用蒙托卡洛随机抽样复形优化方法对z d p h 高纯净锻钢制动盘材料的热 处理工艺参数进行了优化处理，发现淬火温度在8 6 0 4 - 5 范围内，回火温度在6 5 5 5 。c 范围内，z d p h 高纯净锻钢材料经过这种优化的热处理后，可获得良好的综合 力学性能。 2 通过试探淬火法确定了z d p h 钢的临界温度范围，a c l 在7 6 0 到7 8 0 之 间、a c 3 在8 2 0 到8 4 0 之间。 3 采用定量会相和x 射线衍射等方法研究热处理后材料组织特点。研究表明 组织上，淬火温度低于8 6 0 时组织中先共析铁素体含量高，而淬火温度高于9 0 0 时残余奥氏体含量增多。 4 在所研究的工艺条件下，处理后的z d p h 高纯净锻钢材料的各项性能指标： 抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击功等都明显优于技术指标，能满足我国发展 高速列车的需要。 5 所研究的热处理工艺可用于指导工厂实际生产。在工厂实际生产条件下， 通过对z d p h 随炉试样进行热处理实验，结果表明试样各部分淬透情况良好，所研 究的热处理工艺具有适用性，可用于指导工厂实际生产。 关键词：高速列车；制动盘材料；高纯净锻钢；热处理工艺 分类号：t g l 6 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：e x p r e s st r a i ni s ap r o m i s i n gw a yt ot h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni nc h i a n ，i nw h i c hb r a k ed i s ci sak i n do fb a s a ld e v i c ec r u c i a lt ot h e s e c u r i t yo ft r a i nm o v e m e n t s z d p hh i g h l yp u r i f i e df o r g i n gs t e e l sw e r ed e v e l o p e df o r b r a k ed i s c so f3 0 0k m he x p r e s st r a i n s a san e ws t e e l ，s t u d y i n gh e a t - t r e a t m e n t p r o c e s s ，a n a l y z i n gi t sp r o p e r t i e s a n ds t a n d a r di t sm a p si s v e r yi m p o r t a n t t ot h e p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nt h eb r a k ed i s c o nt h eb a s i so fs u m m a r i s i n gt h eb a s i ct y p e so fh e a tt r e a t m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to f n e wt e c h n o l o g i e so nh e a t - t r e a t m e n t ，t h i s p a p e rc o n d u c t si n d e p t hs t u d i e s o nt h e h e a t t r e a t m e n tp r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h m i c a lp r o p e r t i e so fan e w l yd e v e l o p e d l l i g h - s p e e dt r a i nb r a k ed i s cm a t e r i a l ( z d h ph i g h l yp u r e f i e df o r g i n gs t e e l s ) a n dm o n t e c a r l o c o m p l e xo p t i m i z i n gm e t h o dw a se m p l o y e dt oo p t i m i z et h eh e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s t h ei n f l u e n c eo nt h em e c h n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lf r o mt h eh e a t t r e a t m e n t p a r a m e t e r sw a ss t u d i d e da n dm e c h n i c a lp r o p e r t i e sa sw e l la sm i c r o s t r u c t t t r e so ft h e m a t e r i a lw e r et e s t e d 1 t h eh e a t t r e a t m e n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db ym o n t ec a r l o - c o m p l e xo p t i m i z i n g m e t h o d t h eb e s tq u e n c h i n i gt e m p e r a t u r er a n g e sb e t w e e n8 6 0 0 ca n dt h et e m p e r i n g t e m p e r a t u r ei s6 5 5 o c t h e s eh e a t - t r e a t m e n tp a r a m e t e r sa r ec o n t r i b u t i v et ot h e e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l 2 t h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r er a n g eo fz d p hs t e e lw a sd e t e r m i n e db yp r o b eq u e n c h i n g m e t h o d ：a c li sb e t w e e n7 6 0 a n d7 8 0 a c 3i sb e t w e e n8 2 0 a n d8 4 0 3 t h eo r g a n i z a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a t e r i a la f t e rh e a tt r e a t m e n tw e r es t u d i e d b ym o d e r nm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i st e c h n i q u e ss u c ha sq u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h y , x r a y d i f f r a c t i o nm e t h o da n ds oo n t h er e s u l t ss h o wt h a to r g a n i z a t i o n sc o n t a i nh i 曲 p r o e u t e c t o i df e r r i t ew h e nq u e n c h e db e l o w8 6 0 a n dq u e n c h e da b o v e9 0 0 * ( 2 t h e c o n t e n to fr r e t a i n e d a u s t e n i t ei n c r e a s e 4 t h ez d p h h i g h l yp u r i f i e ds t e e lh a sg o o dm e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e su n d e r t h eh e a t t r e a t m e n t p a r a m e t e r s ，s u c ha su l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h ， e l o n g a t i o n ，i m p a c te n e r g ya n da n t i t h e r m a lf a t i g u e 5 h e a t - t r e a t m e n tp r o c e s ss t u d i e di nt h i sp a p e rc a ng u i d ea c t u a lf a c t o r yp r o d u c t i o n t h eh e a t - t r e a t e de x p e r i m e n t so ns a m p l e sw e r ed o n ei nt h ef a c t o r y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ev a r i o u sp a r t so fs a m p l e sw e r ei ng o o dc o n d i t i o nt h r o u g hh a r d e n i n g ，t h e h a a t t r e a t m e n tp r o c e s ss t u d i e di nt h i sp a p e rw a sa p p l i c a b l ea n dc a n g u i d ea c t u a lf a c t o r y p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：e x p r e s st r a i n ；b r a k ed i s cm a t e r i a l s ；h i g h l yp u r i f i e ds t e e l ；h e a t t r e a t m e n t p r o c e s s c l a s s n o ：t g l 6 1 v 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了暖确的 兑明并表示了谢意。 一躲b 黟乎蝴瓤7 夕同 6 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期加尹舌月矽 l j 导师签名咩之无 签字眺砷年月f 7 日 致谢 本论文是在导师韩建民教授的悉心指导下完成的。在研究生学习期间，韩老 师渊博的学识、严谨的治学态度、耐心的指导都给我留下了深刻的印象并将使我 终生受益。在生活和做人处事上，韩老师也以他的一言一行为我树立了榜样。在 此向韩建民教授致以最衷心的感谢和敬意! 本课题的顺利完成，与老师李卫京高工对课题工作的热心指导和无私帮助是 分不开的。李老师认真负责的工作态度也值得我很好地学习，在此向李卫京老师 表示衷心的感谢与敬意! 在课题工作中，王金华教授对笔者的试验工作也提供了许多有益的建议与帮 助，对此表示深深的谢意! 在实验室工作及撰写论文期间，师兄杨智勇提供了许多建设性的指导，蒙晓 涓、陈跃、王勇等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 特别感谢孟胶东老师对笔者试验工作多方面的支持与帮助! 最后，真诚地感谢我亲爱的父母，感谢在我硕士学习生活期间给予我无私关 怀，感谢你们提供的一切便利条件和帮助。 1 绪论 我国高速动车组制动技术条件及铁路主要技术政策的规定，2 0 0k m h 速 度紧急制动距离小于2 0 0 0m ；3 0 0k m h 速度紧急制动距离小于3 7 0 0m 【1 1 。列车朝 着高速化、轻量化方向发展。列车速度的提高，将会对车辆行驶安全至关重要的 基础装置制动盘的性能提出更加苛刻的要求【2 】【3 1 。 世界各国对高速列车制动盘进行了大量的研究工作，其重点主要放在制动盘 材料的选取上。各国不仅对传统的摩擦制动材料铸铁( 钢) 和锻钢进行了一 系列的材料改进和优化工作，而且致力于丌发传统制动盘材料之外的新型材料， 如颗粒增强铝基复合材料和碳碳复合材料，以减轻列车簧下重量，降低牵引功率 耗损。目前国内普遍使用和关注的仍是铸铁和锻钢制动盘，技术储备薄弱，与国 外发达国家相比，在制动盘材料的开发研制方面具有一定的差距【4 】【5 1 。 1 1z d p h 锻钢制动盘材料 z d p h 锻钢以3 0 0 k m h 高速客车制动盘为应用背景研发的一种高纯净锻钢材 料6 1 。 根据目前国内制动盘材料研究应用情况和我国材料工业化生产状况，适合我 国3 0 0 k m h 高速客车制动盘材料并不多。总得看来【7 】：铁系材料。虽然铁系材料 性能和成本方面具有一定的特点，但铁系材料或因综合机械性能欠佳( 如灰铸铁 强度、塑韧性能较低) ，或因质量波动较大( 如蠕铁和球铁容易产生蠕化和球化质 量波动) ，材料性能有限，很难满足高速列车制动盘的质量要求【8 】【9 1 。铝基复合 材料。铝基复合材料因其重量轻、优良的热传导性能和特殊的处理加工工艺使之 具有相当的机械和耐磨性能，其适用的速度范围较为广泛，是一种具有很好发展 前途的制动盘材料n 们n 。但铝基复合材料制动盘的制造工艺难度较大，研制周期 较长，考虑到工厂现有的生产工艺装备状况，要在短时间内研制并批量生产出铝 合金制动盘，困难很大。非金属复合材料n 2 1 3 。非金属复合材料制动盘，虽然 性能优异，如碳陶瓷复合材料制动盘可承受8 0 0 0 c 的制动温度，但因其价格高、 制造技术难度更大，目前还难以大规模推广应用。更不可能在我国现阶段推广应 用。钢系材料n 4 1 5 1 。钢系制动盘材料，具有良好的综合机械性能，尤其是通过 适当的合金化和热处理，可得到很好的耐磨、耐热等特殊性能，可满足3 0 0 k m h 高速列车使用要求。另外，钢系制动盘的生产制造工艺装备要求不高，相对说来 成本较低，并且在日本新干线、法国t g v 有应用的先例，是一种实际可行的选材 方案。z d p h 高纯净锻钢就是在充分考虑国内外制动盘材料的研究现状，结合我国 材料工业生产水平，为我国3 0 0 k m h 高速列车制动盘而研发的新型钢种。z d p h 钢 作为种金属材料，在其生产过程中，热处理是不可缺少的重要环节。 1 2 热处理在金属材料生产中的作用1 6 7 巾8 1 所谓金属热处理，是借助于一定的热作用( 优势兼之以机械作用、化学作用 或其他作用) 来人为地改变金属合金内部的组织和结构，从而获得所需要性能的 工艺操作。在各种金属材料和制品的生产过程中，热处理是不可缺少的重要环节 之一。 铸件通常需要进行消除内应力的低温退火，或完全退火，或正火；有的还需 要淬火后回火( 时效) 。 钢材整个生产过程中的热处理，包括钢锭的热处理、压力加工过程中的和成 品的热河粗粒。钢锭的热处理主要是不同温度下的退火。钢材的热处理可依工艺 性能和使用性能的要求不同而异。例如各种钢材通常须进行正火处理，以获得细 而均匀的组织和较好的力学性能。高强度调质钢材则常进行淬火高温回火处理， 以保证达到要求的综合力学性能。热锻( 轧) 钢材可根据用户的要求来决定产品 的热处理工艺。冷拉( 轧) 钢材需进行坯料热处理、中间热处理和成品热处理。 有色金属及其合金的半成品或制品的生产与钢材和钢制零件生产大致相同， 在有色金属加工工艺流程中，热处理是更加重要的组成部分。 金属材料及制品生产过程中，之所以需要热处理，其主要作用和目的有二。 1 改善工艺性能，保证厚道工序顺利进行。如均匀化退火可以改善热加工性能。 中间退火可以改善冷加工性能。用高碳钢制造的刀具，正火和球化退火是保证机 械加工性能要求的必不可少的工序。 2 提高使用性能，充分发挥材料潜力。如航空工业中应用广泛的2 a 1 2 硬铝， 经淬火和时效处理后，抗拉强度可从1 9 6 m p a 提高到3 8 2 4 9 0 m p a 。共析碳钢经热 轧空冷，硬度仅为h r c 2 5 左右，加工成刀具后再进行淬火和低温回火，硬度可达 到h r c 6 2 以上，抗拉强度可达1 3 7 2 m p a 。至于某些特殊性能的金属材料，经不同的 热处理甚至可使其性能优硬脆变强韧，或中心强韧而表面硬且耐磨。正因为热处 理对材料性能优如此巨大的作用，所以热处理在材料科学中才占有很重要的地位。 2 1 3 热处理的基本类型 在工业上实际应用的热处理工艺，尽管其形式和工艺参数各不相同，但就其 热处理的基本过程( 即热作用过程) 来说，无论那一种热处理工艺，都是由加热、 保温和冷却三个阶段组成的，并且整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、 保温时间、冷却速度以及总的延续时间( 热处理周期) 这几个基本工艺参数来描 述。当然，具体的热处理工艺过程可能比较复杂，有关的工艺参数有时较多，特 别是当热处理同时兼有机械作用或化学作用或其他作用时就更加现出工艺的复杂 性。不过，根据热处理时外界对金属材料施加的基本作用( 主要是热作用、化学 作用和机械作用等) 以及材料内部组织、结构和状态变化的特点，可将常用的热 处理形式分为三类，及基本热处理、化学热处理和形变热处理【1 9 】【姗。 1 3 1 基本热处理 所谓基本热处理( 有人成为常规热处理) ，是指以热作用为主要过程的热处理， 即只有热作用对金属材料的内部组织、结构、状态和性能其决定性的影响，材料 的化学成分、形状和尺寸在热处理前后并不发生大的变化。 基本热处理包括以下几种形式： 1 均匀化退火( 扩散退火)均匀化退火是用于消除或减少铸态合金非平衡状 态的热处理。其基本过程和主要目的是借助高温时合金内部( 固溶体) 原子的扩 散，是铸锭( 或铸件) 晶内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改善复相 合金中第二相得形状和分布，提高合金塑性，改善加工性能和最终使用性能。 2 基于回复、再结晶的退火金属冷变形后组织处于亚稳态，内能增高、强度 增加、组织发生变化，有时还出现织构。若将其加热到一定的温度，会发生回复、 再结晶，变形织构也会发生变化，从而在一定程度上消除了有冷变形造成的亚稳 定状态，使金属材料获得所需组织、结构和性能。这种热处理称为基于回复、再 结晶的退货。这种热处理还包括消除应力的去应力退火。 3 基于固态相变的退火这是一种以固态金属合金经高温保温和冷却所发生 的扩散型相变为基础的热处理，与上述均匀化退火及基于回复、再结晶退货的主 要区别，是后者并不以固态相变为先决条件，或者不发生任何固态相变，而前者 的先决条件和基本过程则是扩散型固态相变。由于扩散型固态相变的种类甚多( 如 多型性转变、共析转变、加热时第二相溶解和冷却时第二相析出等) ，对金属合金 组织和性能影响颇大，因此这类退火有很多形式，在十几种已得到普遍的应用。 4 淬火将金属合金从固态下的高温状态以过冷或过饱和形式固定到室温，或 使高温相在冷却时转变成另一种晶体结构的亚稳状态，称为淬火。 3 根据淬火金属合金内部所发生的过程，又可分为两种：( 1 ) 若淬火仅仅是使 高温相以过冷或过饱和状态固定到室温，在淬火过程中晶体结构不发生变化，间 作无多型转变的淬火( 一般称为固溶处理) ；( 2 ) 若淬火时金属合金的晶体结构类 型发生改变( 如马氏体相变) ，则称为有多型转变的淬火。与基于固态相变的退火 相似，淬火的先决条件是必须在固态下有相变，如多型性转变或第二相的溶解和 析出( 即固溶度随温度降低而减少) 。但与退火不同，在大多数情况下要快冷，使 淬火时无扩散过程发生，或扩散不是过程的控制因素。相图上有多型性转变或温 度升高固溶度增加的合金，原则上都可以进行淬火处理。 淬火的主要目的是为了获得过饱和固溶体，给随后的时效或回火作好准备。 有些合会在淬火状态下具有良好的塑性，因而这些合金的淬火可作为冷成型钱的 软化操作。此外，少数合金在淬火后具有最佳的性能，淬火就是这种合金的最终 热处理形式。 5 时效或回火无论合金有无多型性转变，淬火得到的过饱和固溶体，都是具 有较高能量的亚稳相，只要可能( 如加热到一定温度或在室温保持较长时间) ，它 就会向较低能量的稳定状态转化，这种转化是通过过饱和固溶体的分解来实现的。 室温保持或加热使过饱和固溶体分解得热处理，称为时效或回火。 应注意，时效和回火是合金淬火的后继工序，没有淬火( 无论什么形式) 就 无所谓时效或回火。利用淬火和时效，或淬火和回火，可赋予合金优良的综合性 能。 1 3 2 化学热处理 化学热处理是将热作用和化学作用有机地结合起来的一种热处理。由于热作 用和化学作用同时发生，使某些元素( 金属或非金属) 渗入金属合金中，就是说 化学热处理不仅可以改变金属材料的组织，而且还可以改变其化学成分( 一般是 表面成分) 。在化学热处理时，金属材料的行装和尺寸通常不发生大的变化。 化学热处理的主要目的是改善材料的表面性能( 如提高材料表面硬度、耐磨 性和耐蚀性等) 。在少数情况下，特殊形式的化学热处理可以去金属内部的有害元 素。 1 3 3 形变热处理 形变热处理是一种将塑性变形和热作用结合起来的热处理。但是，并非任何 将塑性变形与加热、冷却随意结合起来的工艺都是形变热处理，只有将那些能提 高金属材料内部晶体缺陷密度的塑性加工与能发生固态相变的热作用结合起来， 4 能显著地改变材料的组织和结构，并明显地提高材料的性能才算形变热处理。换 言之，形变热处理是塑性变形的变形强化与热处理的相变强化相结合，使成型工 艺及获得最终性能统一起来的综合热处理形式。其结果，合金性能将优于仅用基 本热处理或仅用变形所达到的性能。 上述各种热处理的分类如图1 1 所示： i ll 淬火l _ | 有多型性转变的淬火和同火或时效 热处理 弋l 时效( 回火) j i 无多型性转变的淬火和时效 l 化学热处理 1 4 热处理新技术发展概况 关于热处理技术的发展，全面说来，应包括热处理基础理论，热处理设备， 热处理新技术，热处理全面质量管理等几个方面。近十年来，国内外热处理新技 术发展的方向，可归纳为以下几个方面： ( 1 ) 尽可能地降低热处理能耗。 ( 2 ) 将计算机和机器人引入热处理，向生产自动化发展。 ( 3 ) 由双参数热处理和单一热处理改变为多参数热处理和复合热处理。 ( 4 ) 采用新的加热源和新的加热方式。 ( 5 ) 发展离子热处理和涂覆超硬化合物的表面改制新技术。 ( 6 ) 使用新的淬火介质和改进淬火方法。 1 4 1 降低热处理能耗 在现今工业国家，热处理成本中约2 5 。4 0 是能源成本。随着上产的发展，热 处理能耗也大幅度增加。对于那些能源紧缺或大部分能源进口的国家( 如同本) ， 节能称为最大的技术目标，对热处理节能的研究也最活跃心小2 引。 关于热处理节能对策，大致有以下四个主要方面：( 1 ) 改进热处理工艺和改 换热处理方法；( 2 ) 改进热处理设备；( 3 ) 采用节能新能源；( 4 ) 改进生产组织 和技术管理。 最近的一项节能技术重要成果，是波兰的巴雷科斯基和萨莱用系统方法对热 处理节能进行的综合研究。在第五届国际材料热处理大会上提出了计算热处理炉 中能源消耗的国际计算机系统( c a l e c i f ) 。该系统可用于热处理工厂和生产热处 理设备的工厂。他们还研究了工件形状对热处理能耗的影响，以便利用该系统计 算各种形状的工件在热处理中的能耗。 关于热处理节能材料，开发与应用非调质钢，是8 0 年代热处理节能技术的一 项重大进展。众所周知，调质处理时耗能最多的热处理工序之一，利用非调质钢 的目的在于省去调质处理，使材料在热锻或热轧状态即能达到调质钢经调制处理 后所具有的性能，从而取代调质钢，不仅有着绝大的节能效益，而且还节省了与 调质工序有关的设备、材料、人力消耗；避免了因调质处理的两次加热冷却带来 的变形、开裂、硬度不均匀等热处理缺陷，对提高产品质量十分有利。 1 4 2 热处理工艺自动化计算机和机器人的引入 1 9 8 4 年美国林德伯格公司评述说：“今后热处理技术最紧迫的课题将不是冶金 学的，而是电子学方面的内容”。计算机在热处理中的应用，最早是计算机辅助设 计( c a d ) 、然后是计算机辅助生产( c a m ) 、而计算机辅助材料选择( c a m s ) 的研 究工作最近才取得进展。到目前，在气体渗碳和真空渗碳，高频淬火，模具热处理 及其他热处理中，广泛应用计算机对热处理过程进行参数( 包括温度、时间、压 力、气氛或碳势、工件位置及工件移动或移动速度、装料和装卸等等) 的控制乜3 儿州。 计算机辅助设计( c a d ) 过去主要用于热处理炉的设计工作。目前，已把c a d 应用到工艺设计，即用计算机确定热处理工艺方法和条件。 计算机辅助生产( c a m ) 包括工艺过程的控制和生产管理。用计算机见识和控 制热处理工艺过程现在已成为普遍的额时间。一个计算机系统能提供多功能的用 途，对工艺参数变化反应灵敏，有较高的测量与控制精度，有较高的数据准确性 和控制灵活性，有电子通讯能力。 使用计算机辅助选择材料c a m s 虽然起步较晚，还存在许多问题，但在不久的 将来，c a m s 的感念会像计算机辅助设计和辅助生产( c a d 、c a m ) 一样广泛地被人 们接受。 计算机控制要先通过实验确定数学模型，然后据此编制程序。归纳以来，电 子计算机在热处理中的应用包括以下几个方面： ( 1 ) 生产过程的自动控制与质量管理。利用计算机在自动检验机上对热处理 后的工件作全数质量检验( 不是抽检) ，更可保证质量。 6 ( 2 ) 热处理生产管理。 ( 3 ) 计算机辅助设计。用计算机进行热处理炉、热处理车间设计中的各项计 算。 ( 4 ) 预测工件热处理后的性能。在计算机中贮存多种、大量的材料成分、工 艺方法、热处理后所获性能的数据与曲线，建立数据库，可用来预测某种材料经 某种热处理后的性能。 ( 5 ) 设备的保养。 1 4 3 发展多参数热处理和复合热处理 我们熟知的传统热处理，就主要控制参数而言，多为常压下的温度一时间二参 数热处理( 如普通淬火、退火等) ，或温度一时间一成分的三参数热处理如普通渗碳， 氮化等) 。就工艺方式而言，多为单一的热处理，这样，免不了是热处理的效果单 一化蚓。 近十年来及今后热处理技术发展的明显趋向是：( 1 ) 在传统热处理的控制参 数的基础上再附加其他控制参数，称为新型的多参数热处理，如附加压力的多参 数热处理调压热处理热处理、附加应力的形变热处理、附加磁场的多参数热 处理和附加成分的新型多参数热处理等。( 2 ) 由单一热处理方式变为复合热处理。 调压热处理一改过去在常压下进行热处理而成为减压( 真空) 或加压，真空 热处理是调压热处理之一，一直是发展最快的热处理技术之一，原因是它有节能、 操作环境好，产品质量高等许多哟对岸。特别在利用真空技术进行表面改质方面 获得了很大的进展。近代真空热处理技术突出的进展是加热元件和隔热屏采用全 石墨结构，真空油淬的改进和采用高压气冷淬火，以及适应大量生产的真空炉的 连续化和适应柔性生产的多用途真空热处理炉的开发。应用真空热处理技术，使 工具、模具、结构材料的处理质量得到了大幅度的提高。 形变热处理是一种附加应力的多参数热处理，是在金属及合金生产过程中采 用压力加工与热处理相结合的工艺，把形变强化和相变强化紧密结合起来，是金 属材料得到复合强化的新工艺。形变热处理的主要优点是：( 1 ) 能充分发挥材料 的潜力，提高产品质量。( 2 ) 简化工序，利用预热，节约能源及材料消耗、管理 费用。( 3 ) 与普通热处理相比较，利用形变热处理达到统一强度，材料中所需添 加的合金元素量少，节约合金元素使用量。 复合热处理是将两种或两种以上的不同热处理工艺复合( 同时或先后进行) ， 或将热处理与其他工艺复合，那么，将能获得单一热处理所不能得到的效果。如 氮化与高频淬火的复合，渗碳与钎焊的复合，淬火与浸镀的复合等等。 7 1 4 4 采用新的加热源和新的加热方式 当代新技术，特别是技术物理和电子学方面的进展，对热处理技术的改进产 生了巨大的影响，使许多新工艺称为可能，其中高能量密度热处理最引人注目。 高能量密度热处理多用于提高表面耐磨性、耐蚀性等为目的的表面改制处理，如 激光热处理，电子束表面淬火，等离子弧加热淬火等。 在整体加热方面，新的加热方式的引入同样质的注意，液中放电加热法，也 太床加热方式也有广阔的发展前景。液态床加热方式的能量密度不高，但特别适 宜于取代传统的盐浴热处理。这是因为它除了具有盐浴处理同样的优点外，还有 许多方面比盐浴优越，如节能，不适用有毒的盐，无需排渣，处理后不清洗，成 本低处理产品质量好等等。 1 5 热处理今后的进展 表卜1 中列出了常规热处理工艺的改进及今后热处理技术的进展。表中的3 s 指s u r e 、s a f e t y 、s a v i n g ，2 s 指s a f e 和s a v e 。从该表中可以看出，热处理技术 的发展有如下几个特点：( 1 ) 常规热处理方法在今后的热处理生产中仍将占有重 要地位，但正在同益改进和完善。( 2 ) 综合引入其他各个学科领域( 如电子、物 理、化学、材料、机械、管理等) 的新成果，开发新的热处理技术。今后这一趋 势将更加明显( 3 ) 8 0 年代以及以后的热处理技术，将在3 s 的基础上不断发展， 只有符合3 s 或2 s 的要求，才有资格称为先进的热处理技术，反之，必将逐渐淘 汰2 7 蚴 。 坐2 罩9 l8 ：l 100 0 b 100 图1 - 2各种热处理技术的应用状况变化预测 f i g l 一2t h ef o r c a s to fa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so nv a r i o u sh e a t t r e a t m e n tt e c h n o l l g y 1 离子氮化；2 真空；3 流态床；4 激光；5 离子注入；6 等离子；7 一高频感应；8 高电功 率感应；9 电子束；l o 气体加热炉；11 电加热炉；1 2 传统的感应加热方式；1 3 一盐浴 ；2 1 4 5 6 7 8 9 o ；2 3 o l l l l 表1 - 1 热处理技术的进展 t a b l e l 1t h ed e v e l o p m e n to f h e a t - t r e a t m e n tt e c h n o l o g y 大类 细目 常规热处理及其改进 今后的进展 热浸普通热处限时淬火3 s 热处理( 2 s 热处理) 处 渍 理 延时淬火( 把奥氏体化真空淬火( 真空油冷、真空加压 理淬温度与极冷温度分开)气冷) 火淬透性的灵活应用流动粒子炉淬火 盐水淬火锻热淬火 亚温淬火 聚合物淬火液 n d u r 处理( 形成表面 压应力的处理) 回火( 低温、高温、反 复回火) 等温热处分级淬火形变热处理 理改良的分级淬火限时等温淬火 m s 淬火c c t 曲线的灵活应用 等温淬火( 贝氏体淬 火、回火) 热表表面硬化 高质量感应表面淬火，电子计算机的应用 处面热处理火焰表面淬火激光淬火、电子束淬火、脉冲淬 理 处渗碳，氮化，蒸汽处理火 理 渗金属保护处理 表面熔融硬化处理 高频电阻加热淬火 高频液中加热淬火 p v d 、c v d 、t d 真空渗碳，离子渗碳 氮气基保护气氛热处理 温 表面强化盐浴软氮化离子氮化 处 热处理气体软氮化氧氮化处理 理 表面滑化低温渗硫 同左 热处理高温渗硫 复合热处理电镀热处理，淬火电镀及其他复 合热处理 冷处理 零下处理 普通冷处理( 8 0 ) ( 干 深冷处理，上行淬火 冰) 其他矫直压力淬火，压力回火加压冷处理 残余奥氏体、残留应力的有效利 用 2 0 0 4 年，美国金属进展杂志对2 9 组设备制造厂和用户的调查了1 3 种热 处理技术的应用状况，预测了他们在未来十年内应用状况将发生的而变化，结果 示于图1 2 。可见，离子氮化、真空热处理、流态床热处理、激光热处理及离子注 入工艺的应用将获得最大的发展。等离子、高频感应、高电功率感应和电子束热 9 处理也有较大的发展。而气体加热炉、电加热炉、传统感应加热和盐浴热处理的 地位将有所降低。显然，凡增长最快或较快的热处理技术，都很好或较好地符合 3 s 或2 s 的要求。 1 6 研究意义 本研究以制动盘为工程背景，z d p h 锻钢为研究对象。 z d p h 钢经特殊的纯净化处理后，其硫、磷和气体含量大幅度降低，达到了普 通电弧炉钢难以冶炼的水平一下。杂质和气体含量低为获得具有良好综合性能的 制动盘材料奠定了基础。其气体杂质含量见表1 2 。 表1 2z d p h 钢中的杂质质鼍分数和气体体积含量 t a b l e l - 2t h ec o n t e n to f i m p u r i t i e sa n dg a s e si nz d p hs t e e l p s p + s q f x l 0 - *n 1 0 6n x 1 0 。6 技术要求o 。0 1 50 0 0 70 0 2 25 09 04 工厂检测 0 0 1 40 0 0 80 0 2 24 71 1 83 9 电弧炉钢 o 0 30 0 30 0 65 0 1 0 01 4 04 9 对于锻钢而言，热处理是进一步挖掘材料性能潜能的重要工艺手段。综合考 虑制动盘的应用工况，在锻后采用证火加调质处理。作为热加工的最后一道工序， 调质处理工艺参数对材料的性能有重要影响。z d p h 钢是一新型钢种，各种参数无 资料可查，组织亦无标准图谱，因此在研究z d p h 钢的热处理工艺参数对组织和 性能影响的基础上获得最佳热处理工艺参数及该工艺下材料的优良性能，标准化 钢种的特性参数和组织图谱意义重大。 1 7 研究内容 本文的研究内容有： 采用计算机模拟，蒙托卡洛随机抽样复形优化方法，对z d p h 锻钢材料的热 处理工艺进行优化。 研究淬火温度对机械性能的影响规律，确定z d p h 钢种的临界温度，深入分 析淬火后的组织形貌特征。 研究回火温度对机械性能的影响规律。 研究锻钢材料热处理后的组织和性能。 l o 本论文共分为五章： 第一章是绪论部分，主要介绍国内外研究进展及选题意义，明确本论文的研 究任务和思路。 第二章在阐述计算机蒙托卡洛随机抽样方法、复形优化原理的基础上，重点 对z d p h 锻钢的热处理工艺参数进行优化计算，获得最佳热处理工艺参数并进行 试验验证。 第三章参考普通亚共析钢淬火基本原理，进行z d p h 钢淬火工艺参数的设计， 采用试探淬火法确定z d p h 钢种的临界温度，研究淬火温度对硬度的影响规律并 结合定量金相分析、x 射线衍射残余奥氏体含量测定等分析手段研究淬火后的金 相组织。 第四章在第三章淬火温度确定一个最淬火基础上，研究回火温度对机械性能 的影响，分析微观组织和断口形貌，评价材料性能的优劣。 第五章结合工厂实际生产条件研究z d p h 钢的组织性能，对比实验室性能测 试结果与工厂实际生产性能测试结果，探讨所研究的热处理工艺的适用性。 2z d p h 高纯净锻钢热处理工艺优化 2 1 计算机蒙托卡洛随机抽样一复形优化 计算机蒙托卡洛随机抽样复形优化方法是利用计算机能够产生伪随机数列和 高速计算的特性，结合蒙托卡洛随即抽样方法和复形优化方法，通过计算机模拟 实验，来完成材料工艺参数设计。 在优化领域中，所需优化的变量称为设计变量，所需优化的指标称为设计指 标。对于工艺参数的优化设计，方法很多，生产和科研中常用的有正交试验法和 线性规划等方法，这些方法往往只能得到设计变量的某个取值点，难于选出具有 一定取值范围的设计变量取值区间，而且，正交试验和线性规划方法在处理多元 设计变量和带有函数约束条件的优化设计问题时，求解过程繁琐。为取得好的优 化结果并降低优化成本，我们采用北方交通大学开发研制的“钢的计算机模拟试 验优化方法”并对该方法进行了适当的改进，使其可用于优化热处理工艺参数。 钢的计算机模拟试验优化方法，是用计算机以蒙托卡洛随机抽样模拟热处理试验， 对模拟试验结果进行数学处理，再以复形优化方法对由模拟试验得到的性能指标 组成的目标涵数进行优化计算。该方法对于多远设计变量和带函数约束条件的优 化设计问题，求解过程简单易行。 应用蒙托卡洛方法对钢的调制热处理进行模拟实验的求解过程可以简单描述 为：由计算机按照设计变量的分布特性以j 下态分布抽样，得到调制处理的温度参 数。将这些参数代入根据生产和实验数据建立的回归方程，求出性能数据，这就 是模拟试样过程，所得到的性能指标即为模拟实验结果。实现一次模拟实验相当 于进行了一次调制处理，通过多次模拟实验即可得到一组相对于参数在一定范围 内变化的调制处理实验，以此作为简单子样便可求解设计指标的各种影响参数。 本优化的目的是采用蒙托卡洛方法求解淬火温度和高温回火温度的统计量。 求解的基本思路是：设计所求解的问题h 可表示为具有一定概率分布p ( x ) 的随机 变量x 的数字特征( 如期望e ( x ) ) ，即： 日= e ( x ) = p p ) d x ( 式2 1 ) n 式中，q 伪随机变量的存在域。直接求解h 很难实现，可以通过x 的简单子 样计算其均值作为近似值。x 的简单子样有计算机模拟实验产生。 1 2 2 2 计算机蒙托卡洛随机抽样一复形优化算法 在优化过程中，计算机在优化变量的优化区间内任取一组工艺参数作为一个 点，围绕这个点，计算机自动生成7 个临近的点( 即产生7 组工艺参数) ，这8 个 点为顶点得到一个几何多面体( 即复形) 。计算机在每个顶点上进行1 0 0 次随机抽 样试验( 以验证工艺参数的稳定性) ，然后进行数理统计，再对8 个复形顶点的性 能指标组成的目标函数优选，以优选出的目标函数顶点为起点重复优化过程，在 其余的优化变量区间内继续寻找好的目标定点，最终完成优化计算。 具体优化算法如下： ( 1 ) 产生初始复形中的第一个点 具体方法不限，但满足条件： a 、满足约束常量约束，a ；x i 魏： b 、满足不等式约束g ，( 功0 ： ( 2 ) 用伪随机数产生其他顶点 产生k 一1 个点，计算式： 叉村= a j + 九( 岛一q ) ( 式2 2 ) 式中，i = l ，2 ，n ；k = l ，2 ，；k = 2 n 所得结果必须满足常量约束。 ( 3 ) 逐个检查各顶点，构成复形 检查上述所得点是否满足全部不等式约束。可能出现的情况有： a 、若已有s 个点以满足不等式，且s 1 ，可求出该点集中心x 。，及 鼍= 置 ( 式2 - 3 ) ) i = l b 、若发现第s + 1 个点不满足，则从以+ ，点开始，沿k 方向收缩一半，即 五+ l = t + o 5 ( 墨+ l 一五) ( 式2 - 4 ) 并再次检查是否满足不等式约束。 若满足则通过；若不满足，则在以上所得几点上，再次先a ，方向收缩一半。 然后再次检查，知道全部顶点满足为止。 ( 4 ) 计算函数值，并找出点x h 计算复形个点的函数值f ( x 。) ，并找出函数值最大的点x n 。 ( 5 ) 计算除最大点x h 外的其余各项点中心以，计算式 1k 鼍= 吉墨 i h ( 式2 5 ) 定。 ( 6 ) 求映射点丘 先检查t 是否满足不等式约束g ，( x ) 0 。可能出现的情况有： a 、若满足，则x 。是可行点，可用以计算x 。，即在x hx 。连线的延长线 寻找映射点，为 以= 丘+ 口( 以一x ) ( 式2 6 ) 其中a 为映射系数，常取1 3 开始查询。 选出x后，再次检查是否满足不等式约束，如已满足，则留；如不满足，a 则将a 减半，再算出x 。，再次检查。如此反复，知道满足为止。 b 、若不满足，则在以石：为起点，以x 。为端点的超立方中，用伪随机数 法，选点产生新复形，即 玩= 置j + 九( x c 厂五j ) ( 式2 7 ) 然后重复前述过程，知道满足为止。 ( 7 ) 计算映射点的函数值厂( e ) 并与最大点的函数值厂( ) 比较。可能出现的情况有： a 、若f ( x 。) 厂( 砟) ，则可用x 。替代k 构成复形，然后转第