热处理（淬火）模拟
理论：冷却方式决定组织
概述
我们把直径80 mm的轴水淬，表面硬了，心部却还是软的。为什么？
淬火变硬，是因为从高温奥氏体状态在其他相变发生之前快速冷却形成马氏体。表面接触淬火介质立刻冷却，但心部的热要通过钢内部传导到表面才能散出。越粗耗时越长，心部冷得慢，形成软组织——这就是质量效应。淬火模拟首先要用传热分析求零件内部的温度历程。
圆棒传热
径向非稳态导热，以及表面向淬火介质的换热。实际换热系数 $h$ 在蒸汽膜阶段、剧烈沸腾阶段和对流阶段变化很大，这里取为常数。
毕渥数超过1时，表面与心部温差变大。$t_{8/5}$ 为从800 ℃冷却到500 ℃的时间，用作能否淬硬的参考；所需值随钢种差别很大，要查连续冷却转变图。
刀匠的水与油
淬火自古用于刀剑和刃具的制作。日本刀在刃部薄涂、背部厚涂烧刃土后放入水中。刃部急冷变硬，背部缓冷保留韧性。刃部马氏体相变膨胀，形成刀特有的弯曲。按部位改变冷却方式、同时塑造组织和形状的技术，正是现代淬火模拟所处理的热、组织、应力耦合。
算例：圆棒淬火
850 ℃钢圆棒放入50 ℃淬火介质。热导率30 W/mK，体积热容4.6 MJ/m³K，换热系数水5,000、聚合物水溶液2,500、油1,200 W/m²K（常数）。800→500 ℃冷却时间（秒）：
| 直径 | 水·心部 | 水·表面 | 聚合物·心部 | 油·心部 | 油·表面 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 mm | 1.5 | 1.0 | 2.6 | 5.1 | 5.0 |
| 25 mm | 5.1 | 1.6 | 7.9 | 14.0 | 11.9 |
| 50 mm | 15.2 | 1.9 | 20.6 | 32.5 | 19.9 |
| 100 mm | 50.0 | 2.3 | 60.7 | 84.1 | 27.2 |
直径100 mm时，即使水冷心部也要50秒。
对。水在2.3秒内就把表面冷下来，但心部的热只能靠钢的导热散出。加强淬火介质，心部冷却也快不了多少：直径100 mm从水换成油，心部只从50秒延长到84秒，才1.7倍。要让粗大零件淬透心部，就要选即使慢冷也能硬化的高淬透性合金钢；某种钢允许多少秒，用连续冷却转变图或端淬试验确认。
例2：表面与心部温差
| 直径 | 水 | 聚合物 | 油 |
|---|---|---|---|
| 10 mm | 213 K | 126 K | 68 K |
| 25 mm | 373 K | 248 K | 146 K |
| 50 mm | 506 K | 373 K | 241 K |
| 100 mm | 618 K | 506 K | 365 K |
温差越大，热应力越大，表面与心部相变时间也错开，容易变形和淬裂。聚合物水溶液常作为水冷快速与油冷温和之间的折中。
分析步骤
- 由试验（冷却曲线测量）求淬火介质换热系数随表面温度的变化。
- 考虑随温度变化的热导率、比热和相变潜热进行传热分析。
- 由连续冷却转变图或相变动力学模型求组织与硬度分布。
- 由温差和相变膨胀求残余应力与变形。
- 与硬度测量、截面组织观察和变形测量比较。
“同样条件每次变形都不同”
齿轮油淬后，每批的变形大小都有波动。调查发现，不同作业者把零件浸入油中的方向和速度不同，各面蒸汽膜破裂的时机错开。蒸汽膜阶段换热系数小，膜破裂后骤然增大，破裂顺序不同就造成冷却不均。用夹具统一浸入方式，并搅拌油使膜尽早破裂后，变形波动减小了。淬火分析中，换热系数不能取常数，而要作为随表面位置和时间变化的量来处理。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 换热系数取常数 | 漏掉蒸汽膜阶段 | 作为表面温度的函数 |
| 靠淬火介质加快心部冷却 | 开裂和变形增加 | 选高淬透性钢 |
| 忽略相变潜热 | 冷却曲线偏差 | 考虑潜热 |
| 不考虑搅拌和浸入方式 | 变形波动 | 把工艺条件纳入分析 |
| 只凭温度判断硬度 | 误判组织 | 与相变模型结合 |
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