基于ABAQUS的锻造零件加工工艺分析与研究(3)
1.4 论文主要研究内容
本文需要对一个管件进行淬火和回火的模拟，优化其工艺参数以及结构，减少表面应力集中，均匀回火后的应力分布。该管件热处理要求为：以950℃温度进行淬火，以650℃进行回火，淬火介质为水，水温要求为初始时25.5℃，冷却过程中最高温度为33℃,结束时为27.8℃。其应用于石油管道方面，对其内外表面要求较高。屈服强度可以检验淬火回火后的表面是否合格，屈服强度又称为屈服极限，当应力超过屈服强度，零件就会失效，无法恢复。经查阅得，10CrMo910的屈服极限为275MPa，为防止零件的损坏，需要确保回火之后零件的表面应力小于275MPa。
2 课题研究的基本理论
2.1 残余应力的研究
淬火可以使金属获得良好的力学、物理和化学性能，对于管件来说，淬火产生的表面残余压应力可以增加表面抗拉强度，延长工件疲劳寿命。但淬火时也很容易产生不利的残余应力，会导致零件出现裂痕。
2.1.1 残余应力的测量
残余应力的测量方法包括机械法和物理法。[6]
机械法是用一定的方法将具有残余应力的零件进行局部的分离或分割，从而使残余应力局部释放，并测定出此时的变形，然后用弹性力学方法求得残余应力。机械法主要有：Sachs法Ⅲ，切槽法及较新的钻孔法等。机械法测得的数据相对准确，但是在测定过程需要破坏被测物体的完整性。
物理法可以在不破坏物体的完整性的情况下利用一些物理现象来求得残余应力。因为这一优点，国内外近十几年来都在大力发展无损测量方法。目前残余应力的无损测量主要方法有：中子衍射法，x射线衍射法，磁性法，超声波测量法等。上述无损测量方法中，x射线衍射法的缺点是它的穿透能力有限，只能够测得物体表层二文残余应力的分布。目前发展很快为中子衍射法，其优点是能测量物体内部三文残余应力的分布。
2.1.2 消除残余应力的方法
本文研究的材料为10CrMo910，属于合金结构钢，此类钢对轧（锻）制成圆、方、扁型材和无缝钢管，多用于制作机械产品中较重要和尺寸较大的零部件以及高压管道、容器等。以下几种方式可以消除此类材料的残余应力：
1）自然时效 自然时效是最为古老的时效方法，比较适合大型铸件。具体做法是把构件露天放置，借助大自然的力量，经过长时间的风吹、日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下，残余应力发生松弛而尺寸精度趋于稳定。
2）热处理时效 热时效处理是传统的消除残余应力方法，适合于中小型铸件。具体做法是将构件由室温缓慢，均匀加热至550℃左右，经过4-8小时的保温，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。热时效工艺要求是严格的，例如要求炉内温差小于±25℃，升温速度小于50℃/小时，降温速度小于20℃/小时。炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不宜过长，如果温度高于570℃，保温时间过长，会引起石墨化，导致构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。[7]
3）振动时效 振动时效（VSR）就是由激振设备产生周期性的激振力，在某一频率使金属工件共振，形成的动应力使工件在半小时内进行数万次较大振幅的亚共振振动。工件内部残余应力将叠加，达到一定数值后,在应力最集中处，会因超过屈服极限而产生微小的塑性变形，进而降低该处残余应力,并强化金属基体；而后振动在其余应力集中部分产生同样作用，直至不能引起任何部分塑性变形为止，从而使构件内残余应力降低和重新分布，提高材料的强度。构件在后序安装使用中，因不再处于共振状态，且不承受比共振力更大外力作用，所以振后构件不会出现应力变形。振动时效也可以理解为：在周期动应力作用下循环应变，金属材料内部晶体位错运动使微观应力增加，从而达到调节应力稳定构件尺寸的目的。[8]