CN111366606A - 一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，包括以下步骤：(1)切取与实际热处理件同一批次材料的试块，保证试块与实际热处理件完全一致；(2)在所切取的试块上沿三个不同方向切取试样，并对试样表面进行抛光；(3)对所切取试样进行热处理，测定其在三个方向的膨胀量，并绘制膨胀曲线；(4)根据对应方向的膨胀曲线计算试样的应变量，并根据实际热处理件的尺寸计算其在该对应方向上的应变量，即完成。与现有技术相比，本发明在热处理变形的预测中，充分考虑了温度、组织、材料对变形的影响，尤其是对各向异性材料，可以针对某个方向的变形情况进行分析预测，且操作简便，成本较低，精度较高。

Description

一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法。
背景技术
热处理是机械零部件制造中的基础工艺之一，通过对零件加热和冷却使其获得优良的性能。但热处理过程往往导致工件形状尺寸的改变，热处理变形程度直接影响到后续加工成本，甚至影响机械零部件的使用性能。因此在工艺设计中需要对热处理变形情况进行量化分析，进而改进热处理件余量设计，优化热处理工艺，最终减小甚至消除热处理变形对使用性能的影响。
热处理过程涉及到较为复杂的温度变化和组织转变，其变形主要受到以下几点因素的影响：
(1)材料在加热和冷却过程中发生体积的膨胀和收缩；
(2)材料在热处理过程中发生组织转变，各个组织之间的比容不同导致体积的变化；
(3)材料本身的偏析、成分不均或各向异性对变形也会造成较大影响。
可见热处理变形是温度-相变-材料相互耦合作用的结果，其影响因素较多，内部机制较为复杂，很难通过常规计算获得变形情况，目前较多采用数值模拟方法进行热处理变形的预测。文献《C型试样淬火及深冷处理过程中变形行为的数值模拟》(王沛莹等.上海金属.2019,4,1-6)和文献《预冷淬火工艺对半轴齿轮热处理变形影响的仿真研究》(孙思源等.机械传动.2018,42,7-13)采用数值模拟方法分别对C型试样和半轴齿轮的热处理工艺进行模拟，预测了工件在热处理后的变形情况。但该方法需要工程技术人员掌握数值模拟技术，且模拟所需的材料参数较多，实际中很难获得所有的模拟参数。因此采用数值模拟技术对热处理变形进行预测，其过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，包括以下步骤：
(1)切取与实际热处理件同一批次材料的试块，保证试块热处理前的成分、显微组织、内部结构以及残余应力状态均与实际热处理件完全一致；
(2)在所切取的试块上沿三个不同方向切取试样，并对试样表面进行抛光；
(3)对所切取试样进行热处理，测定其在三个方向的膨胀量，并绘制基于热处理温度与膨胀量的膨胀曲线；
(4)根据对应方向的膨胀曲线计算试样的应变量，并根据实际热处理件的尺寸计算其在该对应方向上的应变量，即完成实际热处理件的热处理变形预测。
进一步的，步骤(2)中，当实际热处理件为轴类工件，则在试块上沿轴向切取一个试样，沿径向切取两个试样，且保证沿径向的两个试样的切取方向相互垂直。
更进一步的，步骤(2)中，试样为φ4×10的圆柱形试样。
进一步的，步骤(2)中，当实际热处理件为非轴类工件，则在试块上沿待预测变形方向切取试样，并同时切取与待预测变形方向相垂直的另外两个方向的试样，并保证三个方向相互垂直。
进一步的，步骤(4)中，试样在切取方向上的应变量为Δd/d，其中，d为试样在切取方向上的长度，Δd为热处理后的膨胀尺寸，对应的，实际热处理件在该切取方向上的变形量为D×Δd/d，D为实际热处理件在该切取方向上的尺寸。
进一步的，步骤(2)中，抛光为采用机械抛光处理。
进一步的，步骤(3)中，膨胀量采用Gleeble膨胀仪测定。
进一步的，步骤(3)中，膨胀量采用DIL膨胀仪测定。
本发明通过测定小试样在加热冷却过程中的膨胀曲线来预测实际工件在热处理过程中的变形情况。膨胀实验通常采用φ4×10的圆柱形试样来测定，测试时在试样上焊接热电偶来控制和采集试样温度，同时测定样品在不同温度下的轴向长度变化。图1为某合金钢在加热冷却一个循环过程中的膨胀曲线。可以看出试样在加热和冷却的过程中，由于材料具有热胀冷缩的特性，试样体积随温度不断变化；当发生相变时，由于不同组织之间的比容发生改变，膨胀曲线的斜率也会发生改变。膨胀曲线通常应用于材料的相变动力学研究。文献《20Cr1Mo1V钢CCT曲线的测定与分析》(廉晓洁等,热加工工艺.2014,20,28-30)通过测定20Cr1Mo1V钢不同冷速下的膨胀曲线，获得了相变临界温度，进而获得了该材料的过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)。由此可见，膨胀曲线体现了温度、相变和材料本身对应变的综合影响，因此可以真实反映热处理过程中的变形情况。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、在热处理变形的预测中，充分考虑了温度、组织、材料对变形的影响，尤其是对各向异性材料，可以针对某个方向的变形情况进行分析预测。
2、该方法操作简便，成本较低，采用Gleeble或DIL膨胀仪可以测定试样微米级的变形，精度较高。
附图说明
图1为某合金钢在加热冷却一个循环过程中的膨胀曲线。
图2为实施例1中的试样所测定的膨胀曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本发明提出了一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，包括以下步骤：
(1)切取与实际热处理件同一批次材料的试块，保证试块热处理前的成分、显微组织、内部结构以及残余应力状态均与实际热处理件完全一致；
(2)在所切取的试块上沿三个不同方向切取试样，并对试样表面进行抛光；
(3)对所切取试样进行热处理，测定其在三个方向的膨胀量，并绘制基于热处理温度与膨胀量的膨胀曲线；
(4)根据对应方向的膨胀曲线计算试样的应变量，并根据实际热处理件的尺寸计算其在该对应方向上的应变量，即完成实际热处理件的热处理变形预测。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(2)中，当实际热处理件为轴类工件，则在试块上沿轴向切取一个试样，沿径向切取两个试样，且保证沿径向的两个试样的切取方向相互垂直。
更具体的实施方式中，步骤(2)中，试样为φ4×10的圆柱形试样。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(2)中，当实际热处理件为非轴类工件，则在试块上沿待预测变形方向切取试样，并同时切取与待预测变形方向相垂直的另外两个方向的试样，并保证三个方向相互垂直。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(4)中，参见图1，试样在切取方向上的应变量为Δd/d，其中，d为试样在切取方向上的长度，Δd为热处理后的膨胀尺寸，对应的，实际热处理件在该切取方向上的变形量为D×Δd/d，D为实际热处理件在该切取方向上的尺寸。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(2)中，抛光为采用机械抛光处理。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(3)中，膨胀量采用Gleeble膨胀仪测定。
在本发明的一种具体的实施方式中，步骤(3)中，膨胀量采用DIL膨胀仪测定。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
以9310钢圆筒的尺寸为：内径100mm，外径120mm，长度为200mm，其材料晶粒度为3-4级，组织状态为退火态，预测经815℃淬火后的变形情况。
本实施例所采用的基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，具体包括以下步骤：
步骤一、切取与该圆筒件同样材料的试块，保证试块晶粒度、显微组织与实际工件完全一致；
步骤二、在试块上沿轴向和径向(两个径向之间相互垂直)切取试样，试样尺寸为φ4×10，试样表面进行机械抛光；
步骤三、采用DIL膨胀仪对试样膨胀实验，实验工艺为以1℃/s加热至750℃，保温30min，然后以50℃/s冷却至室温，测定该过程中试样的膨胀量，所测结果如图2所示；
步骤四、取待测定变形方向的膨胀曲线，计算应变量。试样经热处理后，在轴向和径向上均发生尺寸收缩，应变量分别为2.13μm和9.81μm。
因此，预测圆筒件经815℃淬火后，内径变形量为0.00981×100/10＝0.0981mm，尺寸收缩；轴向变形量为0.00213×200/10＝0.0426mm，尺寸收缩。工件经实际淬火后，内径收缩量为0.08mm，轴向收缩0.03mm，实际变形尺寸与预测尺寸基本一致。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)切取与实际热处理件同一批次材料的试块，保证试块热处理前的成分、显微组织、内部结构以及残余应力状态均与实际热处理件完全一致；
(2)在所切取的试块上沿三个不同方向切取试样，并对试样表面进行抛光；
(3)对所切取试样进行热处理，测定其在三个方向的膨胀量，并绘制基于热处理温度与膨胀量的膨胀曲线；
(4)根据对应方向的膨胀曲线计算试样的应变量，并根据实际热处理件的尺寸计算其在该对应方向上的应变量，即完成实际热处理件的热处理变形预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(2)中，当实际热处理件为轴类工件，则在试块上沿轴向切取一个试样，沿径向切取两个试样，且保证沿径向的两个试样的切取方向相互垂直。
3.根据权利要求2所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(2)中，试样为φ4×10的圆柱形试样。
4.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(2)中，当实际热处理件为非轴类工件，则在试块上沿待预测变形方向切取试样，并同时切取与待预测变形方向相垂直的另外两个方向的试样，并保证三个方向相互垂直。
5.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(4)中，试样在切取方向上的应变量为Δd/d，其中，d为试样在切取方向上的长度，Δd为热处理后的膨胀尺寸，对应的，实际热处理件在该切取方向上的变形量为D×Δd/d，D为实际热处理件在该切取方向上的尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(2)中，抛光为采用机械抛光处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(3)中，膨胀量采用Gleeble膨胀仪测定。
8.根据权利要求1所述的一种基于膨胀曲线的热处理变形预测方法，其特征在于，步骤(3)中，膨胀量采用DIL膨胀仪测定。
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