高錳鋼沖擊硬化層深度的數(shù)值模擬
時曉向;付建華;營建新;郭肖肖;趙文華
（1．太原科技大學材料科學與工程學院；2．金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室；3．燕山大學機械工程學院）
摘要利用有限元軟件Abaqus模擬了高錳鋼沖擊過程，研究高錳鋼沖擊過程中時效溫度、載荷、頻率對硬化層深度的影響。研究表明，時效溫度越高，等效應變值越小，則硬化層深度越小；沖擊頻率和載荷越大，則等效應變值越大，則硬化層深度越大。
; 在強烈沖擊載荷作用下，高錳鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的加工硬化性能和抗沖擊能力，使其廣泛用于冶金、礦山、建材、鐵路、電力、煤炭等機械設備中 。高錳鋼水韌處理后的表面硬度(HB)僅為170～230，但是經沖擊后高錳鋼的表層硬度(HB)可達450～700，硬化層深度可達10～20 mm，甚至更深。影響硬化層深度的因素有載荷大小、組織狀態(tài)、第二相、溫度等。硬化層具有很高的硬度和良好的韌性，這使得硬化層具有很高的抗沖擊疲勞性能、抗磨料犁削磨損和形變磨損性能。當表層硬化層被磨耗掉時，外部沖擊載荷又使得硬化層不斷地向鋼的內部擴展，因此硬化層深度對鋼的耐磨性有一定的影響。關于高錳鋼硬度、耐磨性和硬化層深度的關系國內外學者做了許多研究。劉迎彬等 采用4.5 mm和3mm厚的成型炸藥對高錳鋼進行爆炸硬化試驗，發(fā)現(xiàn)經3 mm厚炸藥爆炸3次后高錳鋼試件的硬化層深度大于經4.5 mm厚炸藥爆炸2次后的硬化層深度，在相同深度處，3 mm厚炸藥爆炸3次高錳鋼試樣的硬度大于4.5 mm厚炸藥爆炸2次后高錳鋼試樣的硬度；爆炸硬化抗拉強度均隨硬化層深度的增加而降低。張福成等對爆炸加載下高錳鋼的硬度、屈服強度和沖擊韌度與硬化層深度的關系進行了研究。李靖采用試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，研究了硬化層深度與沖擊時間、頻率、硬度的關系，同時驗證了數(shù)值模擬的可行性。然而時效溫度對硬化層深度的影響尚未見報道。隨著計算機技術的不斷發(fā)展與優(yōu)化，數(shù)值模擬結果更加接近試驗結果，對縮短試驗周期，降低成本等意義重大。因此，本課題采用Abaqus軟件研究相同沖擊時間，不同沖擊載荷、頻率及不同時效溫度作用下硬化層深度的變化。
1 有限元模型建立及參數(shù)設置
1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分
; 沖擊硬化是一個復雜的過程，分析時需考慮許多因素，比如塑性功生熱效應、摩擦生熱效應、應變率等。由于模擬條件有限，很難將所有因素考慮進去。為了完成沖擊模擬，作以下假設：①假設沖頭、擋板為剛體；②忽略塑性功生熱和摩擦生熱對模擬的影響；③假設工件底部完全固定。
; 采用Abaqus建立的模型見圖1，擋板尺寸為50mm×50 mm×3 mm，沖頭尺寸為φ14 mm×15 mm，工件尺寸為50 mm×50 mm×30 mm。
; 工件劃分六面體網(wǎng)格單元，圓柱形沖頭劃分四面體網(wǎng)絡單元。網(wǎng)格劃分模型見圖2。
1.2模擬參數(shù)設置
; 材料為ZGMn13高錳鋼，其化學成分（質量分數(shù)）為：0.99%的C，12. 1%的Mn，0.47%的Si，0.021%的S，0. 042%的P，余量為Fe。將高錳鋼經1 050℃保溫30 min后水淬，然后分別在400、500、600。C保溫th時效處理，再將試樣進行30%壓縮變形得出真應力一應變
曲線，見圖3。從圖3可以看出，400 0C和原始組織的應力一應變曲線基本一致，因此只取400、500、600℃的應力一應變曲線分別導入到Abaqus中進行沖擊模擬分析。沖擊載荷分別為60、80、100 kN，沖擊時間為1 s，沖擊頻率分別為16、10 Hz。
2模擬結果及分析討論
2.1模擬結果
; 工件受沖擊時，表面發(fā)生塑性變形，晶格發(fā)生畸變，位錯密度增大，位錯的交互作用產生加工硬化，使變形抗力增大，因此塑性變形的深度間接反映加工硬化的程度。圖4是沖擊載荷為80 kN，沖擊時間為Is，時效溫度為400。C時的沖擊硬化模擬的等效應力云圖和等效應變云圖�？梢钥闯�，最大等效應力為454 MPa，最大等效應變?yōu)?.5%，都在工件與沖頭邊緣接觸的表面上。
; 圖5為400℃時等效應變與表面深度的關系曲線。可以看出，最大應變不在工件的表面而在深度約為2.5mm處；當深度大于2.5 mm時等效應變隨表面深度的加大而逐漸減��；當深度為21.5 mm時，等效應變值為O；說明當深度大于21.5 mm時，工件內部組織沒有發(fā)生變形，位錯沒有發(fā)生滑動，因此沒有產生加工硬化；由此曲線可知，工件內部硬化層的存在，并且深度為21.5mm。在沖擊載荷為80 kN，沖擊頻率為16 Hz，沖擊時間為Is作用下的硬化層深度為22 mm，數(shù)值模擬結果與試驗結果符合較好，驗證了模擬結果的準確性。
; 圖6是頻率為16 Hz、時間為Is時，不同時效溫度和不同沖擊載荷作用下的等效應變距表面深度變化的關系。從圖6看出，沖擊頻率及時間一定時，相同載荷作用下，隨著時效溫度升高，等效應變逐漸減小，距表面深度即硬化層深度逐漸減�。幌嗤瑫r效溫度不同載荷作
用下，等效應變隨著載荷的增大逐漸增大，硬化層深度也逐漸變大。
; 圖7是為沖擊時間為1 s、載荷為100 kN時，不同時效溫度和不同沖擊頻率作用下等效應變距表面深度的變化曲線。從圖7可以看出，隨著沖擊頻率增大，等效應變值增大，硬化層深度增大；時效溫度越高，等效應變值減小的速度越快。
2.2分析討論
; 伴隨變形的進行，位錯密度增加；碳化物（第二相粒子）的存在，使位錯滑移受到阻礙。當位錯繞過第二相粒子后，就會在第二相粒子周圍產生位錯環(huán)。位錯、位錯環(huán)以及滑移中位錯纏結，使位錯被限制在一定范圍內運動。阻礙了金屬的進一步變形。根據(jù)奧羅萬機制，當彌散顆粒所占體積分數(shù)一定時，顆粒半徑越小，臨界分切應力（強迫位錯通過顆粒所必須的切應力）越大；當顆粒半徑一定時，彌散顆粒所占體積分數(shù)越大，臨界分切應力也越大�？芍S著時效溫度的升高，彌散析出碳化物越多。當工件發(fā)生變形時，滑移位錯與彌散顆粒之間發(fā)生交互作用，位錯切過顆粒的臨界分切應力將逐漸變大，加工硬化能力得到提高。高錳鋼經400℃時效時組織沒有明顯的變化，仍為奧氏體組織；500℃時效時沿奧氏體晶界和晶內彌散析出少量的針狀碳化物；600℃時效時碳化物析出明顯增多，呈細小的針狀和短棒狀，均勻分布在奧氏體基體內。由于600℃時效時析出細小碳化物多，硬度(HVz)最高為395，500℃時效時次之，為325，400℃時效時因沒有碳化物的析出，為317。因此當工件受到沖擊時，碳化物越多并且細小均勻分布于基體的工件硬度越高，越難以變形，所以隨著時效溫度的升高，等效應變越小，硬化層深度也越小。當載荷和沖擊頻率逐漸增大時，位錯開動所需的動能增加，越有利于變形的進行，等效應變就越高，硬化層深度也越大。
3 結 論
; (1)當沖擊頻率和沖擊時間一定時，在相同載荷作用下，隨著時效溫度升高，等效應變逐漸減小，硬化層深度逐漸減小。
; (2)相同時效溫度，不同載荷作用下，隨著載荷的增大，等效應變值逐漸增大，硬化層深度也逐漸變大。
; (3)當沖擊時間和沖擊載荷一定時，相同時效溫度作用下，隨著沖擊頻率升高，等效應變值逐漸增大，硬化層深度逐漸變深；時效溫度越高，等效應變減小的速度越快。
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