基于JmatPro軟件的預硬型塑料模具鋼熱處理過程材料性能分析案例隨著各類生產模具產品的發(fā)展進步，各種機械、電子、塑料零件逐漸向著高溫、高壓、高速、大型化的方向發(fā)展，這就意味著工件所處的工作條件越來越苛刻，對材料的使用性能的要求愈發(fā)嚴格。對于超大截面的塑料模具鋼，生產周期長，造價高，迫切需要一次制造成功。而傳統(tǒng)的試制的方法對于大模塊來說，成本過高，為了解決這一問題，熱處理過程的數值模擬成為了重點研究的方面。通過熱處理的數值模擬可以顯著提高產品生產效率，高效縮短生產周期，極大的降低生產成本，為實際生產提供合理的指導。1.1熱物性參數CAD、CAE和CAM軟件的發(fā)展提供了工業(yè)發(fā)展進步的技術支撐，ComputerAidedEngineering（CAE）是對工業(yè)生產產品來說極其重要的一步，即高度吻合的模擬結果對提高生產效率和降低成本是如今企業(yè)和工廠不可或缺的環(huán)節(jié)。各類材料參數的準確性是最終判斷模擬結果可靠程度的決定性因素。軟件JmatPro是基于相平衡熱力學、相轉變動力學和相應材料的組織性能的關系，通過開發(fā)材料性能計算模型進行組織模擬和性能模擬，計算材料的熱物性參數，建立材料數據庫。材料成分如表1.1所示，不同冷速下材料的熱物性參數如圖2-1所示，在淬火過程中材料的楊氏模量、剪切模量、泊松比、比熱等熱物性參數與材料的組織狀態(tài)、時間和溫度場有，會由于相變過程的不均勻性而對產生的等效應力有較大的影響。從圖2-1的(a)、(b)中看出不同冷卻速率下的材料楊氏模量和剪切模量的變化趨勢基本一致。當冷卻速率變化時，由于生成的組織不同，其對應的力學性能不同。在理想情況下，楊氏模量和溫度的關系一般呈線性，圖中看出當冷卻速率為10℃/s，材料基本只在溫度在310℃左右時直接發(fā)生馬氏體轉變；而當冷卻速率變慢時，曲線在430℃或630℃發(fā)生了轉變，推測可能產生了貝氏體或者珠光體的組織。(c)圖的泊松比隨著溫度的升高而增大，但是直線的拐點也可以看出冷卻過程中發(fā)生了相變。從(d)比熱圖中可以明顯的觀察到三種相變發(fā)生的溫度區(qū)間。表1.1DIN1.2738模具鋼化學成分（wt.％）元素CSiMnCrNiMoVPS含量0.3350.31.41.881.090.4150.0780.0080.003(b)(c)(d)圖2-1DIN1.2738鋼的熱物性參數楊氏模量；(b)剪切模量；(c)泊松比；(d)比熱1.2平衡相圖JmatPro模擬材料的平衡相圖如圖2-2所示。平衡狀態(tài)下，試驗鋼在室溫下的相主要由鐵素體和少量化合物組成。溫度達到A1點，即666℃時，開始發(fā)生奧氏體轉變，鐵素體和滲碳體向奧氏體發(fā)生轉變；當溫度達到A圖2-2DIN1.2738鋼的平衡相圖各類化合物中的元素分布的變化如圖2-3所示。從圖(a)、(b)中可以看出無論是M23C6還是M7C3，均以Cr元素含量居多。(a)(b)圖2-3化合物中的元素分布變化圖(a)M23C1.3晶粒度的預測室溫下的鋼在加熱到一定的溫度以上會轉化成奧氏體，奧氏體晶粒大小對冷卻轉變后鋼的組織和性能有著重要的影響。一般條件下，奧氏體的晶粒越細小，使得鋼在冷卻后獲得細小的室溫組織，通過細晶強化可以顯著的提高鋼強度、硬度和塑韌性，從而具有優(yōu)良的綜合力學性能。但是如果奧氏體化溫度過高或者在高溫下保溫的時間過長會使奧氏體的晶粒粗大，沖擊韌性迅速降低、更容易萌生裂紋。與此同時，粗大的晶粒使得淬火變形和開裂的傾向顯著增加，不利于鋼的生產應用。因此熱處理的過程中應當十分注意防止奧氏體晶粒過度長大。晶粒度是晶粒大小的量度。但是測定這樣的數據過程較為繁瑣。JmatPro具有模擬奧氏體晶粒度的功能。在模擬材料相變過程前，可以先預估奧氏體的晶粒尺寸，使相變的模擬結構更加準確，晶粒尺寸估測功能的計算公式如下：其中晶粒尺寸D以mm為單位，a和C為材料常數，Q為活化能，R為氣體常數，溫度T為開爾文，時間t為秒。一般情況下，a=4，C=0.4948x10^14mm^4/s,Q/R=63900最終得出晶粒尺寸為8.8，如圖2-4與預期相符合。圖2-4晶粒度的預測1.4CCT和TTT圖的模擬1.4.1計算模型的建立鐵素體和珠光體的計算在初始模型中，沒有嘗試區(qū)分擴散和位移變換，并且使用關于時間τ的通用公式來計算產生一條整體連續(xù)的“C”曲線，即在溫度T的變化下轉換奧氏體的x分數：其中α=β2(N?1)/2，β是一個經驗系數，N是ASTM晶粒尺寸，D為有效擴散系數，ΔT是低于奧氏體相對于鐵素體不穩(wěn)定的溫度（他們還設置了涉及合金元素的有效擴散系數，其類似于串聯(lián)電阻的關系（Reff其中aj是關于每個元素的一個常數，C然后，輸入關鍵參數：1.每種情況下的晶粒尺寸；1.Ae3溫度，這是由熱力學計算的；3.有效擴散系數，Qeff；4.每個元素的經驗常數aj。Qeff其中每個元素的量為質量百分比。如上述的推導意味著，一旦提供了組成和晶粒尺寸，就需要計算Ae3其中T是鐵素體，珠光體和貝氏體轉變溫度以下的過冷度。DF和D式1.6，1.7和1.8中右面的參數I是式1.2中右邊所示的體積分數積分。對于貝氏體，積分被部分校正以考慮實驗觀察。一旦計算出"TTT"圖，就可使用已建立的可加性規(guī)則將其轉變?yōu)?CCT"圖。1.4.2模擬所得TTT圖與CCT圖實驗室試樣采用奧氏體化溫度900℃，保溫時間5min，晶粒度8.8，所得TTT（Time,Temperature,Transformation）和CCT（ContinuousCoolingTransformation）圖如圖2-5所示。從圖中可以看出馬氏體、貝氏體和珠光體轉變的C曲線。冷卻速度越快，越大于臨界淬火冷卻速度，越容易形成馬氏體組織。冷卻速度小于臨界淬火冷卻速度時，冷卻曲線會經過貝氏體轉變開始線，冷卻速度更慢就會生成珠光體組織。(b)圖2-5實驗試樣的TTT圖和CCT圖(a)TTT曲線圖；(b)CCT曲線圖工業(yè)生產常采用奧氏體化溫度880℃，保溫時間30h，晶粒度5.9，所得TTT和CCT圖如圖2-6所示。圖2-5和圖2-6比較比較看出，奧氏體的晶粒隨著保溫時間的增加而越來越大，CCT和TTT圖中的C曲線均逐漸向右下角移動。這也意味著奧氏體的穩(wěn)定程度變高，淬火時的臨界淬火冷卻速度降低，鋼的淬透性越好。(b)圖2-6工業(yè)生產DIN1.2738鋼TTT和CCT曲線圖(a)TTT曲線圖；(b)CCT曲線圖1.4.3AdcancedCCTAdvancedCCT圖理論上來說對于企業(yè)和模具廠的生產更具有實踐意義和借鑒價值，因為該圖在普通的CCT曲線的計算模型的基礎上增加了算法，可以模擬出鋼材在不同的冷卻速度下的室溫組織、硬度值、抗拉強度等等。如圖2-7，是奧氏體化溫度900℃，保溫時間5min，晶粒度為8.8的AdvancedCCT曲線圖及其在不同冷速下的組織和力學性能預測。(a)（b）(c)圖2-7實驗試樣advancedCCT曲線圖(a)CCT曲線；(b)相含量隨冷卻速度的變化；(c)硬度隨冷卻速度的變化從圖2-7中可以看出，在奧氏體化溫度不變的條件下，冷卻速度和硬度呈正相關的關系的。主要是由于貝氏體的形成以及珠光體和先共析相造成的。組織決定性能，由于冷速的降低，使得主要組織逐漸由馬氏體變?yōu)樨愂象w，再變?yōu)橹楣怏w。馬氏體具有高強度、高硬度的特征，由圖2-7(b)可知，當冷卻速度大于10℃/s時，基本獲得全馬氏體的組織，使得鋼的室溫硬度很高，但是冷速過快也會使得鋼的組織應力過大，微量的殘余奧氏體不能顯著改善鋼的塑性和韌性，不利于獲得良好的綜合力學性能。當冷卻速度小于10℃/s，大于0.1℃/s時，組織中逐漸開始出現貝氏體，貝氏體相比于馬氏體來說，強度稍有降低，但是下貝氏體的位錯密度很高，而且由于彌散強化的作用使得下貝氏體不僅具有一定的強度，也具有較高的韌性。從圖2-7(c)中觀察到，室溫下，鋼處于貝氏體和馬氏體的混合組織狀態(tài)下，不僅具有較高的強度，而且具有良好的沖擊韌性。當冷卻速度繼續(xù)降低，降低至低于0.1℃/s時，組織中的軟相，主要是珠光體組織開始增多，使得硬度隨著冷卻速度的減小急劇降低，最終使得硬度偏低。1.5小結本章運用JMatPro軟件,對于DIN1.2738預硬型塑料模具鋼在熱處理過程中的相變情況做了模擬,通過組織模擬和性能模擬計算了DIN1.2738鋼的熱物性參數,對下一章的Deform仿真模擬具有參考作用,提高模擬的可靠性;模擬實驗試樣在奧氏體化溫度為900℃,保溫時間5min的條件下的晶粒度為8.8,與預期晶粒度相吻合;模擬DIN1.2738鋼的平衡相圖,獲得了相應的CCT和TTT曲線,Ac1和Ac3分別為666℃和756℃;對于同一奧氏體化溫度但是不同冷速下鋼的室溫組織和硬度進行了預測,隨著冷速逐漸降低,室溫組織依次出現馬氏體、貝氏體和珠光體,組織決定性能,即隨著冷速的逐漸