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摘要 本文進(jìn)行了有關(guān)鋼在馬氏體淬火過(guò)程中應(yīng)力與相變相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種預(yù)測(cè)鋼的馬氏體淬火殘余應(yīng)力的較完整的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)實(shí)測(cè)的材料參數(shù)用有限元方法對(duì)26Cr2Ni4MoV鋼圓筒形試件的淬火過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算分析，著重考察了相變塑性和應(yīng)力誘導(dǎo)相變對(duì)殘余應(yīng)力形成的影響。結(jié)果表明，由本模型給出的殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好，而不考慮相變塑性的模型實(shí)際上是不適用的，忽略應(yīng)力誘導(dǎo)相變則傾向于在較大程度上低估淬火后的殘余應(yīng)力。
關(guān)鍵詞 馬氏體淬火殘余應(yīng)力 相變塑性應(yīng)力誘導(dǎo)相變 數(shù)值模擬
1 前言
    鋼在淬火過(guò)程中存在極為復(fù)雜的溫度、相變、應(yīng)力/應(yīng)變相互作用，在此方面已有許多報(bào)道^[1]。如圖1所示，在淬火過(guò)程中，溫度造成熱應(yīng)力并影響材料的力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率等），從而影響材料的力學(xué)行為。應(yīng)力/應(yīng)變則以變形熱的形式反過(guò)來(lái)影響溫度的變化。隨著溫度的降低，在達(dá)到相變條件后將發(fā)生相變。溫度是決定相變的因素之一，但其本身又受著相變潛熱的影響。內(nèi)應(yīng)力的存在，可通過(guò)一種通常稱為應(yīng)力誘導(dǎo)相變的機(jī)制而影響相變的進(jìn)程。在相變過(guò)程中，各組成相的比容差異將造成相變應(yīng)力，同時(shí)由于材料的絕大多數(shù)參數(shù)除了依賴于溫度實(shí)際上也依賴于相態(tài)，因此，相變也會(huì)對(duì)材料的力學(xué)行為產(chǎn)生影響。此外，在有內(nèi)應(yīng)力存在時(shí)相變過(guò)程中還會(huì)伴隨一種“反�！钡乃苄孕袨�，即材料在應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的情況下就可以發(fā)生不可逆變形的現(xiàn)象，稱為相變塑性。

完整的數(shù)值計(jì)算模型包括上述相互作用的各個(gè)方面，但由于淬火過(guò)程中變形熱的影響很小，所以幾乎所有研究者都忽略了該因素的影響。在其余的相互作用中，就目前所研究到的現(xiàn)象或機(jī)制來(lái)看，除了相變塑性和應(yīng)力誘導(dǎo)相變外，在數(shù)值模擬方面均已比較成熟。數(shù)值模擬技術(shù)要求在可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，即要求較準(zhǔn)確的定量化。從這個(gè)角度看，目前對(duì)于相變塑性和應(yīng)力誘導(dǎo)相變的研究，不論是在數(shù)據(jù)積累、數(shù)學(xué)模型的建立，還是在測(cè)試方法乃至機(jī)理方面，都是不成熟的。本文基于這些考慮，著重進(jìn)行了有關(guān)應(yīng)力與相變相互作用的實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上提出了一種預(yù)測(cè)鋼的馬氏體淬火殘余應(yīng)力的較完整的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該模型，用有限元方法對(duì)26Cr2Ni4MoV鋼圓筒形試件的馬氏體淬火過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算。重點(diǎn)考察了相變塑性和應(yīng)力誘導(dǎo)相變對(duì)殘余應(yīng)力形成的影響，并驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的適用性和準(zhǔn)確性。
2 應(yīng)力與相變相互作用的實(shí)驗(yàn)研究
    我們對(duì)26Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼在淬火過(guò)程中的應(yīng)力與相變相互作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要目的是實(shí)測(cè)應(yīng)力對(duì)相變動(dòng)力學(xué)的影響和相變塑性規(guī)律，同時(shí)也可以獲取數(shù)值模擬過(guò)程中所需的其它一些參數(shù)，如溫度膨脹系數(shù)、組織轉(zhuǎn)變膨脹系數(shù)等。
    實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)冷卻方式，在Gleeble-1500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣為φ10×130標(biāo)準(zhǔn)試樣，在其中部焊有CrNi-CrSi熱電偶以測(cè)量和控制溫度，同時(shí)在該部位放置高溫夾式引伸計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)抽真空至5×10^-4乇后，將試樣加熱至860℃，保溫10min以充分奧氏體化。對(duì)加載實(shí)驗(yàn)，隨后以15℃/s急冷至Ms點(diǎn)（本鋼約為325℃）以上50～80℃，接著在5s內(nèi)加到所需的單軸應(yīng)力水平。然后將冷速改為4℃/s，并一直保持該載荷和冷速至室溫。整個(gè)過(guò)程中用自動(dòng)記錄儀記錄試樣直徑變化與時(shí)間的關(guān)系曲線。應(yīng)力水平取0MPa、±60MPa、±120MPa和±180MPa，均低于材料400℃時(shí)的奧氏體屈服極限（約200MPa），以便于相變塑性研究。
    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中均采用最常用的關(guān)系式。對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變，在沒(méi)有應(yīng)力作用時(shí)，通常采用如下所示的Koistinen-Marburger公式

式中  ξ_M——為馬氏體體積分?jǐn)?shù)