高锰钢冲击硬化层深度的数值模拟

时晓向;付建华;营建新;郭肖肖;赵文华 

（1．太原科技大学材料科学与工程学院；2．金属材料成形理论与技术山西省重点实验室；3．燕山大学机械工程学院）

摘要利用有限元软件Abaqus模拟了高锰钢冲击过程，研究高锰钢冲击过程中时效温度、载荷、频率对硬化层深度的影响。研究表明，时效温度越高，等效应变值越小，则硬化层深度越小；冲击频率和载荷越大，则等效应变值越大，则硬化层深度越大。

; 在强烈冲击载荷作用下，高锰钢表现出优异的加工硬化性能和抗冲击能力，使其广泛用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械设备中 。高锰钢水韧处理后的表面硬度(HB)仅为170～230，但是经冲击后高锰钢的表层硬度(HB)可达450～700，硬化层深度可达10～20 mm，甚至更深。影响硬化层深度的因素有载荷大小、组织状态、第二相、温度等。硬化层具有很高的硬度和良好的韧性，这使得硬化层具有很高的抗冲击疲劳性能、抗磨料犁削磨损和形变磨损性能。当表层硬化层被磨耗掉时，外部冲击载荷又使得硬化层不断地向钢的内部扩展，因此硬化层深度对钢的耐磨性有一定的影响。关于高锰钢硬度、耐磨性和硬化层深度的关系国内外学者做了许多研究。刘迎彬等 采用4.5 mm和3mm厚的成型炸药对高锰钢进行爆炸硬化试验，发现经3 mm厚炸药爆炸3次后高锰钢试件的硬化层深度大于经4.5 mm厚炸药爆炸2次后的硬化层深度，在相同深度处，3 mm厚炸药爆炸3次高锰钢试样的硬度大于4.5 mm厚炸药爆炸2次后高锰钢试样的硬度；爆炸硬化抗拉强度均随硬化层深度的增加而降低。张福成等对爆炸加载下高锰钢的硬度、屈服强度和冲击韧度与硬化层深度的关系进行了研究。李靖采用试验与数值模拟相结合的方法，研究了硬化层深度与冲击时间、频率、硬度的关系，同时验证了数值模拟的可行性。然而时效温度对硬化层深度的影响尚未见报道。随着计算机技术的不断发展与优化，数值模拟结果更加接近试验结果，对缩短试验周期，降低成本等意义重大。因此，本课题采用Abaqus软件研究相同冲击时间，不同冲击载荷、频率及不同时效温度作用下硬化层深度的变化。

1  有限元模型建立及参数设置

1.1  模型建立及网格划分

; 冲击硬化是一个复杂的过程，分析时需考虑许多因素，比如塑性功生热效应、摩擦生热效应、应变率等。由于模拟条件有限，很难将所有因素考虑进去。为了完成冲击模拟，作以下假设：①假设冲头、挡板为刚体；②忽略塑性功生热和摩擦生热对模拟的影响；③假设工件底部完全固定。

; 采用Abaqus建立的模型见图1，挡板尺寸为50mm×50 mm×3 mm，冲头尺寸为φ14 mm×15 mm，工件尺寸为50 mm×50 mm×30 mm。

; 工件划分六面体网格单元，圆柱形冲头划分四面体网络单元。网格划分模型见图2。

1.2模拟参数设置

; 材料为ZGMn13高锰钢，其化学成分（质量分数）为：0.99%的C，12. 1%的Mn，0.47%的Si，0.021%的S，0. 042%的P，余量为Fe。将高锰钢经1 050℃保温30 min后水淬，然后分别在400、500、600。C保温th时效处理，再将试样进行30%压缩变形得出真应力一应变

曲线，见图3。从图3可以看出，400 0C和原始组织的应力一应变曲线基本一致，因此只取400、500、600℃的应力一应变曲线分别导入到Abaqus中进行冲击模拟分析。冲击载荷分别为60、80、100 kN，冲击时间为1 s，冲击频率分别为16、10 Hz。

2模拟结果及分析讨论

2.1模拟结果

; 工件受冲击时，表面发生塑性变形，晶格发生畸变，位错密度增大，位错的交互作用产生加工硬化，使变形抗力增大，因此塑性变形的深度间接反映加工硬化的程度。图4是冲击载荷为80 kN，冲击时间为Is，时效温度为400。C时的冲击硬化模拟的等效应力云图和等效应变云图。可以看出，最大等效应力为454 MPa，最大等效应变为5.5%，都在工件与冲头边缘接触的表面上。

; 图5为400℃时等效应变与表面深度的关系曲线。可以看出，最大应变不在工件的表面而在深度约为2.5mm处；当深度大于2.5 mm时等效应变随表面深度的加大而逐渐减小；当深度为21.5 mm时，等效应变值为O；说明当深度大于21.5 mm时，工件内部组织没有发生变形，位错没有发生滑动，因此没有产生加工硬化；由此曲线可知，工件内部硬化层的存在，并且深度为21.5mm。在冲击载荷为80 kN，冲击频率为16 Hz，冲击时间为Is作用下的硬化层深度为22 mm，数值模拟结果与试验结果符合较好，验证了模拟结果的准确性。

; 图6是频率为16 Hz、时间为Is时，不同时效温度和不同冲击载荷作用下的等效应变距表面深度变化的关系。从图6看出，冲击频率及时间一定时，相同载荷作用下，随着时效温度升高，等效应变逐渐减小，距表面深度即硬化层深度逐渐减小；相同时效温度不同载荷作

用下，等效应变随着载荷的增大逐渐增大，硬化层深度也逐渐变大。

; 图7是为冲击时间为1 s、载荷为100 kN时，不同时效温度和不同冲击频率作用下等效应变距表面深度的变化曲线。从图7可以看出，随着冲击频率增大，等效应变值增大，硬化层深度增大；时效温度越高，等效应变值减小的速度越快。

2.2分析讨论

; 伴随变形的进行，位错密度增加；碳化物（第二相粒子）的存在，使位错滑移受到阻碍。当位错绕过第二相粒子后，就会在第二相粒子周围产生位错环。位错、位错环以及滑移中位错缠结，使位错被限制在一定范围内运动。阻碍了金属的进一步变形。根据奥罗万机制，当弥散颗粒所占体积分数一定时，颗粒半径越小，临界分切应力（强迫位错通过颗粒所必须的切应力）越大；当颗粒半径一定时，弥散颗粒所占体积分数越大，临界分切应力也越大。可知随着时效温度的升高，弥散析出碳化物越多。当工件发生变形时，滑移位错与弥散颗粒之间发生交互作用，位错切过颗粒的临界分切应力将逐渐变大，加工硬化能力得到提高。高锰钢经400℃时效时组织没有明显的变化，仍为奥氏体组织；500℃时效时沿奥氏体晶界和晶内弥散析出少量的针状碳化物；600℃时效时碳化物析出明显增多，呈细小的针状和短棒状，均匀分布在奥氏体基体内。由于600℃时效时析出细小碳化物多，硬度(HVz)最高为395，500℃时效时次之，为325，400℃时效时因没有碳化物的析出，为317。因此当工件受到冲击时，碳化物越多并且细小均匀分布于基体的工件硬度越高，越难以变形，所以随着时效温度的升高，等效应变越小，硬化层深度也越小。当载荷和冲击频率逐渐增大时，位错开动所需的动能增加，越有利于变形的进行，等效应变就越高，硬化层深度也越大。

3  结  论

; (1)当冲击频率和冲击时间一定时，在相同载荷作用下，随着时效温度升高，等效应变逐渐减小，硬化层深度逐渐减小。

; (2)相同时效温度，不同载荷作用下，随着载荷的增大，等效应变值逐渐增大，硬化层深度也逐渐变大。

; (3)当冲击时间和冲击载荷一定时，相同时效温度作用下，随着冲击频率升高，等效应变值逐渐增大，硬化层深度逐渐变深；时效温度越高，等效应变减小的速度越快。