ANSYS有限元模拟表面冷速对超厚板截面温度场的影响

为了研究表面冷速对超厚板心部冷却能力的影响,应用ANSYS有限元软件模拟分析了超厚板淬火水冷过程的截面温度场分布.结果表明:淬火过程中,心部与表面的截面温差随着表面冷速的增大而增大,但当冷速过大时,截面温差不再增大;随着表面冷速的增大,心部冷速在高温区和中温区表现出不同的变化规律,高温区(900～600℃),心部冷速随着表面冷速的增大而显著增大,但增幅逐渐减小,当表面冷速大于80℃/s后,心部冷速达到极值;中温区(600～300℃),心部冷速几乎不受表面冷速影响;此外,增大表面冷速对心部冷速的提升作用是有限的,厚度越大这一局限越为明显.

淬火加热方法对含铜高强度球扁钢组织和性能的影响

对含0.06%C,1.50%~2.0%Ni,0.83%Cr,1.20%~1.50%Cu和0.20%Mo(质量分数)的高强度球扁钢分别采用感应加热和传统炉子加热至980℃水淬和680℃回火。检测了热处理后钢的屈服强度、-40℃冲击韧度和显微组织,以确定淬火加热方法对球扁钢组织和力学性能的影响。结果表明:感应加热淬火调质的球扁钢屈服强度高于传统炉子加热淬火调质的钢;感应加热淬火调质的钢有效晶粒平均尺寸为3.23μm,而传统炉子加热淬火调质的钢为4.29μm;钢中富铜析出相粒子主要分布于贝氏体板条界面和位错线附近,感应加热淬火调质的钢富铜析出相粒子尺寸为(36.70±13.50)nm,而传统炉子加热淬火调质的钢为(25.72±7.5)nm;感应加热和炉子加热淬火调质的球扁钢强化机制主要为细晶强化,前者的位错强化效果优于后者,而析出强化的效果则相反。

含Cu低碳球扁钢球头与腹板的组织性能差异

利用电子背散射衍射(EBSD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和能谱仪(EDS)分析含Cu低碳球扁钢在热轧-感应加热-固溶-时效后的组织演变规律,并根据强化机制,分析造成球头、腹板存在差异的原因。结果表明,在不同热处理阶段,含Cu低碳球扁钢腹板晶粒尺寸均小于球头,腹板处富Cu相析出进程落后于球头,680℃时效2 h后,腹板强度及硬度高于球头,伸长率稍弱于球头;热轧-感应加热-固溶-时效过程,球扁钢依次经历热变形、铁素体-奥氏体转变、马氏体相变及回复阶段;造成球头、腹板存在约50 MPa强度差异的原因,富Cu相尺寸差异为主要因素,晶粒尺寸差异为次要因素,位错密度差异为微弱因素。

含Cu低合金高强钢时效Cu析出研究进展

含Cu低合金钢是一类重要的低碳低合金高强钢,其通过Cu析出弥补低碳当量的强度降低,兼顾高强度以及良好的焊接性能、低温韧性和耐腐蚀性能,具有优良的综合应用价值。综述了含Cu低合金钢中与Cu析出有关的国内外研究进展,以时效过程中含Cu低合金钢硬度的变化曲线为例,阐明其材料力学性能的变化趋势,并总结了基于沉淀强化机制的Cu析出对应的强化增量公式;梳理了时效过程中Cu析出的演变过程,包括相变、晶体结构转变及与Cu析出相尺寸相关的数学模型;汇总了含Cu低合金钢中常添加的合金元素及合金元素对含Cu低合金钢的作用。最后,对新一代含Cu低合金钢的发展进行展望,指出通过优化理论模型和加入以Ni元素为主的合金元素调控Cu析出尺寸及分布,是制备性能更优含Cu低合金钢的重要手段。

感应淬火条件下Cu-Ni低碳低合金钢的强化机制

采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和TEM原位拉伸试验等分析了含Cu-Ni低碳低合金钢经感应加热淬火+时效的显微组织及Cu粒子与强度的关系,并对强化机制进行了量化分析。结果表明,试验钢经980℃感应淬火+670℃时效的综合性能优于1030℃感应淬火+680℃时效;含Cu-Ni低碳低合金钢呈现多种强化机制,包括沉淀强化、晶界强化、位错强化、固溶强化和点阵阻力,其中沉淀强化与晶界强化为主要强化机制,二者占比超过70%;理论计算出Cu粒子在Orowan机制中最小临界尺寸为28.50 nm,在TEM原位拉伸中观测到位错在Cu粒子周围发生塞积,并按照绕过机制与尺寸为44.57 nm的Cu粒子发生交互作用。

低碳含Cu中厚钢板富Cu相的时效析出行为

将某低碳含Cu中厚钢板在680℃分别时效不同时间(15、30、45、75、90、120 min)后,利用场发射扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了中厚钢板不同位置富Cu相的析出和长大机制。结果表明,经时效处理后,试验钢板表面及心部富Cu相呈球状或短棒状,尺寸均主要在5~60 nm之间,但心部富Cu相的平均尺寸要大于表面富Cu相。随着时效时间的延长,表面和心部的富Cu相均发生长大,呈现平均尺寸增加、粒子总数目减少的趋势。基于理论计算,富Cu相平均尺寸的变化满足Ostwald熟化机制,且心部富Cu相长大速率小于表面富Cu相。

碳和氮含量对大规格球扁钢组织和性能的影响

在全球船舶大型化的发展背景下,中国为顺应国际市场需求,提高运输效率,对船舶材料的规格和性能提出了更高的要求,作为船舶主要型材的球扁钢,原有的成分设计已满足不了现有大规格的强度、韧性和截面均匀性等要求。为满足行业需求,研发了一种高强韧性、截面均匀性良好的18号不对称球扁钢,并采用热轧+回火工艺替代热轧+调质工艺以降低成本。试验钢为3种不同C、N成分设计的V-N微合金化钢,经工业生产成热轧态后进行实验室回火和检测。通过透射电镜、相分析等材料表征手段和力学性能检测对3种试验钢进行对比研究,研究不同C、N含量球扁钢热轧态和回火态球头和腹板部位的强度和低温韧性,并在此基础上定量计算各强化增量值。结果表明,热轧态球扁钢球头和腹板显微组织均含有多边形铁素体(PF)、珠光体(P)和粒状贝氏体(GB)。PF和P的微观结构组合提供了更好的低温韧性,而GB使试验钢韧性降低。经680℃回火2 h后,3种试验钢能在保证强度损失较小的前提下大幅度提高韧性。尤其是低碳高氮钢,由于细小的晶粒尺寸和V(C,N)析出相尺寸,使得低碳高氮钢球头和腹板的屈服强度为560 MPa左右,截面均匀性进一步提高;且由于大角度晶界含量高,低温韧性进一步改善,球头韧脆转折温度降低至-58℃,拥有优异的强韧性匹配。

淬火方式对高强度球扁钢组织与性能的影响

利用光学显微镜、EBSD等检测手段研究了高强度球扁钢经感应加热淬火、加热炉加热淬火后的组织与性能差异,并对淬火样品经不同温度（600、630、650、670、680、690℃）回火3 h后的组织与性能进行检测分析。结果表明：两种淬火方式所得组织均为马氏体＋少量贝氏体,感应加热淬火样品组织较加热炉加热淬火组织略细,强度略高。EBSD结果表明,两种淬火方式下淬火马氏体板条块之间均为大角度晶界,板条束之间为小角度晶界。感应加热淬火球头与腹板的平均有效晶粒尺寸（MED_（2°））为2.815μm,加热炉加热淬火球头与腹板的平均有效晶粒尺寸为3.015μm。对不同淬火方式的回火组织来说,回火温度越高,有利于板条界面消失,有利于板条间的界面及原奥氏体晶界处的析出物长大和球化;回火温度越高,强度逐渐降低,塑韧性提高。对于批量生产,采用感应加热淬火热处理,可以获得强韧匹配好,性能均一的球扁钢产品;对于单件生产,实践中可以根据性能需要选择合适的淬火、回火工艺采用加热炉对球扁钢进行调质热处理。

大载荷螺栓振动摩擦热分析及材料适用性研究

通过对30CrMnSiNi2A专用螺栓连接件振动摩擦过程的分析,建立了相应的数学模型,利用有限元热力耦合分析技术对大载荷及不同散热条件下的温度场进行了模拟计算,并结合材料的相变特征判断了螺栓材料的适用性。结果表明:在绝热条件下,螺栓结构温度持续升高,直至接近熔点;考虑散热后,螺栓结构仍有部分区域的温度超过了材料的可用温度范围。计算结果对该螺栓结构的设计改型和材料选择提供了重要依据。

低合金钢感应淬火温度场模拟与优化

船用低合金钢10CrNiMo感应快速加热时温度分布不均匀导致淬火后组织性能不均匀是其感应淬火工艺的难点。通过运用有限元方法模拟无预热采用单级线圈直接加热(方案一)和有预热改用两级线圈加热(方案二)2种工艺方案下移动低合金钢感应加热淬火的温度场。结果显示:方案二工艺条件下棒材出线圈时心部和表面的瞬时温差很小且温度场分布均匀。同时在方案二的工艺条件下进行感应加热淬火处理实验。实验结果显示:实验钢温度的实测值与模拟结果吻合性较好,其力学性能也满足服役条件。验证了有限元仿真的可行性,为船用低合金钢感应加热淬火处理提供了可靠的工艺参数。

回火对感应淬火10CrNi3MoV球扁钢组织和性能的影响

利用SEM、TEM等检测方法研究了回火工艺参数对感应加热淬火10Cr Ni3Mo V球扁钢组织和性能的影响。结果表明,感应淬火后,10Cr Ni3Mo V球扁钢淬火组织为细小的板条马氏体和少量贝氏体。随着回火温度的升高,10Cr Ni3Mo V钢球头与腹板处的强度与硬度单调下降,塑韧性得到改善;板条界面逐渐消失,晶界处析出的渗碳体长大和球化趋势越来越明显。随着回火时间延长,10Cr Ni3Mo V钢球头与腹板处的强度与硬度略有下降,塑韧性明显改善;碳化物的析出量减少,原有的粒状碳化物有聚集长大趋势。本试验钢获得良好强韧性匹配的最佳回火工艺为:回火温度630~650℃,回火时间3~3.5 h。

高强度高韧性Cr-Mo-V球扁钢的回火工艺

针对高强度高韧性Cr-Mo-V球扁钢热处理工艺繁琐,粒状贝氏体无法充分分解的问题,采用金相显微镜、SEM、TEM等检测方法研究了不同回火温度、不同回火时间对其组织与性能的影响。结果表明,通过600℃以上高温回火,并保温2h以上,可使试验钢中处于亚稳态的粒状贝氏体发生回复,向准多边形铁素体组织转变,原始组织中大尺寸、长条状的M-A岛发生分解,转化为粒状M-A岛;随着回火温度的升高,可进一步分解试验钢中的粒状贝氏体,使其颗粒更细,分布更弥散,显著提高了钢的低温韧性,获得了良好的综合性能。对于本试验钢,最佳热处理工艺为660-680℃回火,回火保温时间为3.0-3.5h。

V、V-N与V-Nb微合金化对高强船板钢组织与性能的影响

通过对高强船板钢进行V、V-N及V-Nb微合金化,研究了3种微合金化方式对热轧态及正火态试验钢组织和性能的影响。结果表明:热轧和正火条件下,V、V-N与V-Nb微合金化均能有效提高试验钢的强度,并细化铁素体晶粒。V微合金化后,每加入0.01%V试验钢屈服强度提高4~7 MPa;V-N微合金化后,每加入0.01%V屈服强度提高10~12 MPa。正火处理使得V、V-N与V-Nb微合金钢的析出强化作用减弱,细晶强化作用增加。综合比较,V-N微合金钢在热轧与正火条件下能获得更为优异强韧性匹配。

高强度球扁钢感应加热有限元模拟与工艺优化

基于实际生产工况参数,利用ABAQUS有限元分析软件,对高强度球扁钢的感应加热过程进行二维模拟,模拟结果与实测结果基本一致。探究了线圈电流密度对球扁钢截面温度分布的影响,提出了球扁钢感应加热工艺参数优化方案。模拟结果的推荐工艺参数为:预热电流密度为7.0×10~6 A/m^3,加热电流密度为8.5×10~6 A/m^3。对优化工艺参数前后的高强度球扁钢进行显微组织和力学性能比较,结果表明,优化感应加热工艺参数后的高强度球扁钢具有更好的截面均匀性。

感应加热工艺对大规格球扁钢低温韧性的影响

采用OM、SEM、EBSD、TEM等方法对比研究了不同热处理工艺对大规格球扁钢力学性能及显微组织的影响规律。结果表明,与热轧+回火工艺相比,采用感应淬火+回火工艺时大规格球扁钢球头心部位置-40℃冲击吸收能量提高约112J,裂纹扩展功提高约125J,动态撕裂能及断口纤维率均显著提高,韧脆转变温度由约10℃降低至-60℃以下。经感应淬火+回火后,球扁钢球头心部位置的组织为铁素体+马氏体+贝氏体的混合组织,平均晶粒尺寸与热轧+回火工艺相比显著细化,碳化物的数量更多、尺寸更加细小。热轧+回火后冲击断口的微裂纹在珠光体和铁素体晶界上的碳化物处形成,而感应淬火+回火后,冲击断口呈现为具有明显韧窝的韧性断裂特征。同热轧+回火工艺相比,采用感应淬火+回火工艺大大改善了大规格球扁钢的低温韧性。