1、概述

金属的热处理工艺，主要包括奥氏体化，渗碳，淬火，回火，退火，感应淬火，时效等。热处理阶段中，常会出现热处理过程加热及冷却时间不能准确把握，相变过程无法监控，渗碳深度及碳含量无法确定、淬火马氏体转变率不能准确控制、工件发生淬火扭曲变形、残余应力过大或分布不合理、淬火硬度不够、出现淬火裂纹等缺陷，而通过传统“试错”及经验的方式并不能准确和科学化、数据化地分析热处理工艺的合理性，造成了金属的热处理工艺失败，延长了生产周期。这些问题可用Deform-HT得到解决。它可对金属热处理整个工艺过程进行模拟分析，通过直观分析云图及各种数据判断金属在热处理过程中产生的缺陷及工艺设计问题，达到良好的设计需求。

热处理工艺模拟过程的实现

Deform HT可进行金属产品复杂热处理工艺的流程设置，包括炉内加热的奥氏体化，渗碳工艺的环境碳含量，淬火介质的水、油、碱液，各工艺阶段的保温及冷却时间、温度等。通过计算分析获得热处理过程各阶段、各时刻的产品外部及内部场变量数据变化情况。

热处理工艺表设置（奥氏体化-渗碳-油淬-水洗-回火-空冷）

 

奥氏体化阶段某时刻温度云图      加热过程温度云图

 

热处理过程相变含量模拟

热处理中，Deform HT通过相变动力学方程进行各相在该过程中的转变情况，包括珠光体、铁素体等到奥氏体的扩散转变，奥氏体向马氏体的晶格切变转变，奥氏体向珠光体、铁素体的等温冷却转变，马氏体到奥氏体的转变及连续冷却转变等，计算不同热处理阶段、不同时刻的各相转变百分比及相得分布，帮助用户更合理地设计工艺保温时间及温度值。

 

不同阶段马氏体的百分含量及分布情况

渗碳及碳含量模拟

Deform HT可模拟金属热处理渗碳过程中碳的内部扩散、环境碳的固溶渗透，获得渗透过程中碳的渗透深度、碳含量及分布情况，更好地优化渗碳时间、渗碳温度等工艺参数。

 

渗碳某时刻距表面不同深度范围内的碳含量分布曲线（可获得渗碳深度值）

热处理硬度模拟

热处理过程中不同相具有的硬度不同，Deform HT可计算热处理各阶段金属产品内部及表面硬度的变化和数值，同时可考虑渗碳后表面碳含量对淬火硬度的影响。

            初始状态时的硬度        油淬后硬度值及各处硬度大小分布

 

热处理变形模拟

Deform HT同时考虑热处理过程中由热膨胀、相变塑性、相密度及相转变所造成的尺寸及体积变化情况，从而分析热处理过程发生的形状扭曲，体积膨胀等热处理缺陷，对于产品尺寸的变化差异可精确到微米级别。

热处理淬火前后的尺寸变化

热处理残余应力及裂纹模拟

Deform HT热处理残余应力计算包括热应力及组织应力的耦合结果，采用的弹塑性有限元模型可完全计算金属热处理过程各个时刻及淬火之后的残余应力分布情况，包括笛卡尔坐标系及圆柱坐标系下等效应力、最大主应力、环向应力、轴向应力及径向应力及其拉压应力情况，进行热处理残余应力的优化和淬火产生裂纹的判断依据。残余应力的计算及优化，可避免金属热处理裂纹及增强产品的疲劳使用寿命，提高热处理后的产品质量。

热处理裂纹模拟

应力松弛及时效分析

Deform-HT可进行铝合金、镍合金等有色金属的固溶时效及应力松弛热处理分析，获得热处理温度场、残余应力、热处理形变、应力消除、裂纹等结果，优化时效温度和时间。

铝合金轮毂固溶淬火及时效

感应热处理分析

    Deform-HT通过FEM有限元及BEM边界元算法进行感应热处理的分析，包括单频和多频感应加热及淬火工艺过程，可计算磁场密度、加热温度场、残余应力、相转变深度、热处理变形、裂纹等结果，优化线圈设计及电流参数、淬火时间及冷却方式。

 

电感应热处理分析

2、应用案例：齿轮热处理形变缺陷分析

项目描述

• 齿轮热处理后出现齿端面不平，尺寸发生变形，造成废品率很高。
• 通过热处理工艺分析预测了变形缺陷，印证了初始工艺设计的不合理性，找到了内在原因。

项目挑战

• 热处理微观组织材料参数复杂，工艺参数复杂。
• 热处理工序多，结构形变复杂。
• 热处理过程结构变形很小。

解决方案

• 结构、热、微观组织耦合分析。
• 预测组织转变、温度场、残余应力、硬度、变形量、渗碳深度等结果。

重要价值

• 准确预测了热处理微小变形，找出工艺缺陷，指导后续工艺的修改优化。