【《基于JmatPro软件的预硬型塑料模具钢热处理过程材料性能分析案例》3500字】

基于JmatPro软件的预硬型塑料模具钢热处理过程材料性能分析案例随着各类生产模具产品的发展进步，各种机械、电子、塑料零件逐渐向着高温、高压、高速、大型化的方向发展，这就意味着工件所处的工作条件越来越苛刻，对材料的使用性能的要求愈发严格。对于超大截面的塑料模具钢，生产周期长，造价高，迫切需要一次制造成功。而传统的试制的方法对于大模块来说，成本过高，为了解决这一问题，热处理过程的数值模拟成为了重点研究的方面。通过热处理的数值模拟可以显著提高产品生产效率，高效缩短生产周期，极大的降低生产成本，为实际生产提供合理的指导。1.1热物性参数CAD、CAE和CAM软件的发展提供了工业发展进步的技术支撑，ComputerAidedEngineering（CAE）是对工业生产产品来说极其重要的一步，即高度吻合的模拟结果对提高生产效率和降低成本是如今企业和工厂不可或缺的环节。各类材料参数的准确性是最终判断模拟结果可靠程度的决定性因素。软件JmatPro是基于相平衡热力学、相转变动力学和相应材料的组织性能的关系，通过开发材料性能计算模型进行组织模拟和性能模拟，计算材料的热物性参数，建立材料数据库。材料成分如表1.1所示，不同冷速下材料的热物性参数如图2-1所示，在淬火过程中材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比、比热等热物性参数与材料的组织状态、时间和温度场有，会由于相变过程的不均匀性而对产生的等效应力有较大的影响。从图2-1的(a)、(b)中看出不同冷却速率下的材料杨氏模量和剪切模量的变化趋势基本一致。当冷却速率变化时，由于生成的组织不同，其对应的力学性能不同。在理想情况下，杨氏模量和温度的关系一般呈线性，图中看出当冷却速率为10℃/s，材料基本只在温度在310℃左右时直接发生马氏体转变；而当冷却速率变慢时，曲线在430℃或630℃发生了转变，推测可能产生了贝氏体或者珠光体的组织。(c)图的泊松比随着温度的升高而增大，但是直线的拐点也可以看出冷却过程中发生了相变。从(d)比热图中可以明显的观察到三种相变发生的温度区间。表1.1DIN1.2738模具钢化学成分（wt.％）元素CSiMnCrNiMoVPS含量0.3350.31.41.881.090.4150.0780.0080.003(b)(c)(d)图2-1DIN1.2738钢的热物性参数杨氏模量；(b)剪切模量；(c)泊松比；(d)比热1.2平衡相图JmatPro模拟材料的平衡相图如图2-2所示。平衡状态下，试验钢在室温下的相主要由铁素体和少量化合物组成。温度达到A1点，即666℃时，开始发生奥氏体转变，铁素体和渗碳体向奥氏体发生转变；当温度达到A图2-2DIN1.2738钢的平衡相图各类化合物中的元素分布的变化如图2-3所示。从图(a)、(b)中可以看出无论是M23C6还是M7C3，均以Cr元素含量居多。(a)(b)图2-3化合物中的元素分布变化图(a)M23C1.3晶粒度的预测室温下的钢在加热到一定的温度以上会转化成奥氏体，奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般条件下，奥氏体的晶粒越细小，使得钢在冷却后获得细小的室温组织，通过细晶强化可以显著的提高钢强度、硬度和塑韧性，从而具有优良的综合力学性能。但是如果奥氏体化温度过高或者在高温下保温的时间过长会使奥氏体的晶粒粗大，冲击韧性迅速降低、更容易萌生裂纹。与此同时，粗大的晶粒使得淬火变形和开裂的倾向显著增加，不利于钢的生产应用。因此热处理的过程中应当十分注意防止奥氏体晶粒过度长大。晶粒度是晶粒大小的量度。但是测定这样的数据过程较为繁琐。JmatPro具有模拟奥氏体晶粒度的功能。在模拟材料相变过程前，可以先预估奥氏体的晶粒尺寸，使相变的模拟结构更加准确，晶粒尺寸估测功能的计算公式如下：其中晶粒尺寸D以mm为单位，a和C为材料常数，Q为活化能，R为气体常数，温度T为开尔文，时间t为秒。一般情况下，a=4，C=0.4948x10^14mm^4/s,Q/R=63900最终得出晶粒尺寸为8.8，如图2-4与预期相符合。图2-4晶粒度的预测1.4CCT和TTT图的模拟1.4.1计算模型的建立铁素体和珠光体的计算在初始模型中，没有尝试区分扩散和位移变换，并且使用关于时间τ的通用公式来计算产生一条整体连续的“C”曲线，即在温度T的变化下转换奥氏体的x分数：其中α=β2(N−1)/2，β是一个经验系数，N是ASTM晶粒尺寸，D为有效扩散系数，ΔT是低于奥氏体相对于铁素体不稳定的温度（他们还设置了涉及合金元素的有效扩散系数，其类似于串联电阻的关系（Reff其中aj是关于每个元素的一个常数，C然后，输入关键参数：1.每种情况下的晶粒尺寸；1.Ae3温度，这是由热力学计算的；3.有效扩散系数，Qeff；4.每个元素的经验常数aj。Qeff其中每个元素的量为质量百分比。如上述的推导意味着，一旦提供了组成和晶粒尺寸，就需要计算Ae3其中T是铁素体，珠光体和贝氏体转变温度以下的过冷度。DF和D式1.6，1.7和1.8中右面的参数I是式1.2中右边所示的体积分数积分。对于贝氏体，积分被部分校正以考虑实验观察。一旦计算出"TTT"图，就可使用已建立的可加性规则将其转变为"CCT"图。1.4.2模拟所得TTT图与CCT图实验室试样采用奥氏体化温度900℃，保温时间5min，晶粒度8.8，所得TTT（Time,Temperature,Transformation）和CCT（ContinuousCoolingTransformation）图如图2-5所示。从图中可以看出马氏体、贝氏体和珠光体转变的C曲线。冷却速度越快，越大于临界淬火冷却速度，越容易形成马氏体组织。冷却速度小于临界淬火冷却速度时，冷却曲线会经过贝氏体转变开始线，冷却速度更慢就会生成珠光体组织。(b)图2-5实验试样的TTT图和CCT图(a)TTT曲线图；(b)CCT曲线图工业生产常采用奥氏体化温度880℃，保温时间30h，晶粒度5.9，所得TTT和CCT图如图2-6所示。图2-5和图2-6比较比较看出，奥氏体的晶粒随着保温时间的增加而越来越大，CCT和TTT图中的C曲线均逐渐向右下角移动。这也意味着奥氏体的稳定程度变高，淬火时的临界淬火冷却速度降低，钢的淬透性越好。(b)图2-6工业生产DIN1.2738钢TTT和CCT曲线图(a)TTT曲线图；(b)CCT曲线图1.4.3AdcancedCCTAdvancedCCT图理论上来说对于企业和模具厂的生产更具有实践意义和借鉴价值，因为该图在普通的CCT曲线的计算模型的基础上增加了算法，可以模拟出钢材在不同的冷却速度下的室温组织、硬度值、抗拉强度等等。如图2-7，是奥氏体化温度900℃，保温时间5min，晶粒度为8.8的AdvancedCCT曲线图及其在不同冷速下的组织和力学性能预测。(a)（b）(c)图2-7实验试样advancedCCT曲线图(a)CCT曲线；(b)相含量随冷却速度的变化；(c)硬度随冷却速度的变化从图2-7中可以看出，在奥氏体化温度不变的条件下，冷却速度和硬度呈正相关的关系的。主要是由于贝氏体的形成以及珠光体和先共析相造成的。组织决定性能，由于冷速的降低，使得主要组织逐渐由马氏体变为贝氏体，再变为珠光体。马氏体具有高强度、高硬度的特征，由图2-7(b)可知，当冷却速度大于10℃/s时，基本获得全马氏体的组织，使得钢的室温硬度很高，但是冷速过快也会使得钢的组织应力过大，微量的残余奥氏体不能显著改善钢的塑性和韧性，不利于获得良好的综合力学性能。当冷却速度小于10℃/s，大于0.1℃/s时，组织中逐渐开始出现贝氏体，贝氏体相比于马氏体来说，强度稍有降低，但是下贝氏体的位错密度很高，而且由于弥散强化的作用使得下贝氏体不仅具有一定的强度，也具有较高的韧性。从图2-7(c)中观察到，室温下，钢处于贝氏体和马氏体的混合组织状态下，不仅具有较高的强度，而且具有良好的冲击韧性。当冷却速度继续降低，降低至低于0.1℃/s时，组织中的软相，主要是珠光体组织开始增多，使得硬度随着冷却速度的减小急剧降低，最终使得硬度偏低。1.5小结本章运用JMatPro软件,对于DIN1.2738预硬型塑料模具钢在热处理过程中的相变情况做了模拟,通过组织模拟和性能模拟计算了DIN1.2738钢的热物性参数,对下一章的Deform仿真模拟具有参考作用,提高模拟的可靠性;模拟实验试样在奥氏体化温度为900℃,保温时间5min的条件下的晶粒度为8.8,与预期晶粒度相吻合;模拟DIN1.2738钢的平衡相图,获得了相应的CCT和TTT曲线,Ac1和Ac3分别为666℃和756℃;对于同一奥氏体化温度但是不同冷速下钢的室温组织和硬度进行了预测,随着冷速逐渐降低,室温组织依次出现马氏体、贝氏体和珠光体,组织决定性能,即随着冷速的逐渐