基于DEFORM-3D15Cr5Ni 不锈钢热处理工艺优化设计
摘要：热处理是材料加工的重要过程，热处理工艺的好坏是影响最终产品质量的重要因素。为了达到产品的质量要求，在研发过程中往往需要投入大量的人力成本、材料成本和时间成本。而利用有限元工艺仿真软件来模拟工艺过程，辅助技术人员完成工艺设计
能很大程度上提高效率，降低成本。本文利用 Deform-3D 有限元软件建立有限元模型，利用均匀设计方法，对 15Cr5Ni 不锈钢固溶时效工艺进行模拟仿真，对不同温度及时间下模型的应力场及变形进行分析。分析表明，在固溶温度为 1060℃，固溶时间为 160min；时效温度为 500℃，时效时间为 270min 的条件下，模型在固溶冷却时出现最大应力 787MPa，低于材料的抗拉强度，模型的变形量为 174μm，残余应力为 259MPa，为较优的热处理方案。
关键词：热处理；DEFORM-3D；工艺优化；数值模拟
Optimized design of 15Cr5Ni stainless steel heat treatment process
Abstract: Heat treatment is an important process of material processing, and the quality of
heat treatment process is an important factor affecting the quality of the final product. In order to meet the quality requirements of products, a large number of human cost, material cost and time cost are often required in the research and development process. By using finite element process simulation software to simulate the process, assisting technicians to complete the process design can greatly improve efficiency and reduce costs.
Deform-3D finite element software is used to build a finite element model in this paper. The uniform design method is used to simulate the solution and aging process of 15Cr5Ni stainless steel. The stress field and deformation of the model at different temperatures and times will be analyzed as variables. The result shows that under the conditions of the solution temperature of 1060 ℃ and the solution time of 160min; the aging temperature of 500 ℃ and the aging time of
270min, the model has a maximum stress of 787MPa, which is lower than the yield strength of the
material. The deformation amount is 174 μm, and the residual stress is 259 MPa, which is a better heat treatment scheme.
Key words: Heat treatment,；DEFORM-3D,；Process optimization； Numerical
simulation
目录
1绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
2热处理过程的数值模拟基础 2
2.1三场的耦合计算 3
2.2国内外研究进展及存在的问题 5
3热处理过程模拟 6
3.1Deform 软件介绍 6
3.1.1Deform-HT 模块介绍 7
3.1.2软件热处理操作一般流程 7
3.2确定热处理工艺方案 9
3.2.1确定材料参数 9
3.2.2固溶工艺的确定 10
3.2.3时效工艺的确定 11
3.3均匀设计 11
3.3.1编制设计方案 12
4热处理模拟结果 14
4.1温度场分析 14
4.2变形量的比较 16
4.3残余应力比较及最大应力分析 19
结论 23
参考文献 24
致谢 25
1绪论
1.1研究背景
随着这些年来工业化进程的推进，人们对钢铁材料的性能要求也在提高， 相对比于其他的失效形式，钢铁材料在各种环境下的腐蚀失效占据了主要因 素。因腐蚀而损耗的钢材每年都占据了很大比重及造成较大的损失，仅我国每年都会因为钢材腐蚀而损失超过百亿元，因此，急需研究如何能有效提高钢铁材料材的耐蚀性以及开发新型钢种，以满足日益增多的耐腐蚀钢材需求。
1912年开始生产工业化不锈钢，在90多年的历史长河中不断发展。而
15Cr5Ni不锈钢是一种马氏体不锈钢，拥有更加突出的不锈性，韧性，耐腐蚀性， 可锻性等一系列等优点，为现代工业发展和进步作出重要贡献，通常作为航天、航空及核工业等领域的核心零件材料。如应用于飞机起落架、变速箱齿轮、冷却剂泵叶轮[1]。
15Cr5Ni作为一种新型不锈钢，其相关的热处理工艺还有优化的空间。目前， 我国热处理技术水平已经走入了现代制造的新阶段，但在新工艺和设备水平这方面还需摸索专研。如何能有效解决减少消耗，提高利用率应为我国热处理研究工作者的迫切任务。而利用计算机模拟技术不失为一个有效的解决办法。
1.2研究意义
热处理加工工艺由三个部分组成，分别为加热、保温和冷却。通过这三者的过程控制使金属发生相变，形成各种组织结构，从而获得我们所需的材料性能。
而热处理工艺的过程控制的好坏是决定不锈钢零件的性能和质量的关键。热处理作为零件精加工的前道工序，是工业制造中的重要组成部分，其作为对组织结构的最后调整，只有对适当的材料，采取适当的热处理工艺，才能满足和提高机械零件的使用要求。
然而在实际热处理中，它涉及工艺、设备、控制、材料物料、检测。上述环节的稳定性是保证热处理的预期效果的关键。再有，热处理需要做到从材 料、毛坯处理、到最终精加工的精准把控。在热处理过程中的每时每刻，其温度、应力、组织都在发生变化，它是由多因素集成的复杂过程。工作者只能测
量热处理完毕后的种种变化，但对于热处理进程的每一个瞬间，工件从心部到外表面的温度、应力、应变、组织很难被准确测量。
所以一般工作者对于热处理过程设计主要基于经验总结，当然这从另一方面体现热处理过程的复杂。对及进行理化分析需建立元素扩散、热传、相变、力学作用过程的数值模拟。但现在计算机技术在不断发展深入，热处理的数值模拟技术优势越来越明显，具有很强的现实意义，其目的在于能实时计算零件热处理内部的温度场、应力场、组织场的变化，进而为生产提供指导意义。
2热处理过程的数值模拟基础
1992 年，HEARTS 作为热处理软件首先被开发出来后，SYSWELD， GRANTAS，Deform 等数值模拟软件如雨后春笋般出现，这使得数值模拟技术快速发展。同时材料和传热数据库，相变及力学参数是多场热力耦合的预测和分析准确性的保证[2]。其可行性和实用性给工作者提供了极大的便利。相信在将来热处理数值模拟技术将会更加普遍，适用面也会越来越广。
参考文献
[1]刘红涛. 基于 DEFORM-3D 平台不锈钢板材热轧工艺模拟研究[D].兰州理工大学,2011:1. [2]叶健松,李勇军,潘健生,胡明娟.大型支承辊热处理过程的数值模拟[J].机械工程材
料,2002(06):12-15.
[3]金妙,刘宁,刘爱军,李亨,李萌蘖.钢的热处理数值模拟技术的现状与发展[J].热处理,2019,34(01):23-28.
[4]蒋杰,胡建军,刘妤.淬火工艺数值模拟研究进展[J].化学工程与装备,2017(06):208- 210.
[5]胡建军,李小平.DEFORM-3D 塑性成形 CAE 应用教程[M].北京:北京大学出版社,2011
[6]仇振安,
