模拟钢齿轮的化石和淬火

2020年3月9日

钢是一种基于铁的合金,由于其高强度和低成本,是一种广泛使用的材料。它用于各种应用,从汽车,建筑物,风力涡轮机和基础设施到机械设备,设备和刀具。大多数钢铁在制造过程中都经过一些热处理。一种这样的治疗方法是淬火。使用ComsolMu188金宝搏优惠ltiphysics®软件,您可以模拟制造过程中使用的淬火过程。让我们来看看一个例子…

化石和淬火

齿轮是一个基本的工程组件,对于许多日常物体(例如汽车变速器和洗衣机)至关重要,因为它们可以换速速度(反之亦然)。如果是机械设备并且移动,则可能涉及齿轮。

带有齿轮的电力传输系统的照片。
电力传输系统中的齿轮。GérardDelafond的图像。获得许可CC BY-SA 3.0, 通过Wikimedia Commons

电力传输齿轮通常硬化以提高其疲劳耐用性和耐磨性。可以使用不同的硬化过程,包括化石,硝化和诱导硬化,然后进行淬火。在此处讨论的教程模型中,您可以使用仿真来检查渗油后加化油如何影响钢齿轮中的残余应力状态。

建模刺齿轮的化石和淬火

该教程使用经典的刺齿轮的几何形状。2D钢刺齿轮具有20齿,直径为200毫米。

图像显示了具有20颗牙齿的刺齿轮模型的几何形状。

该材料被建模为通用钢,其中各个冶金相的温度依赖性热和机械材料特性将其平均为有效材料特性奥氏体分解接口,可在金属加工模块

渗碳的过程需要使加热的成分受到碳富含碳环境的影响。碳扩散到组件的表面,从而导致硬度增加和耐磨性。在这里,瞬态给宽法(扩散)用于模拟简单的化学过程。下图显示了化石后的碳浓度。在表面附近,与内部相比,碳浓度更高。

comsol多物理学中化石后齿轮中碳浓度的图。188金宝搏优惠
化石后齿轮中的碳浓度。

碳浓度的变化改变了淬火过程中的相变特征。在此模型中,仅考虑马氏体转换。随着碳浓度的升高,马氏体转化的发作发生在较低的温度下。这是使用碳浓度依赖性的马氏体起始温度建模的m_ \ mathrm {s}

一旦齿轮被货运,它就会淬灭。

在该模型中,我们模拟了齿轮迅速浸入淬火油中,并将其固定在那里。在冷却的瞬态过程中,齿轮中会发生扭曲和应力。

请注意,本教程中未明确建模淬灭油;取而代之的是,使用具有温度依赖性传热系数的对流边界条件对热交换进行建模。在此示例中,淬灭油的温度为80°C。即使淬灭过程取决于时间,就结构力学而言,它是绝对的,因此可以这样对其进行建模。

检查结果

模拟钢齿轮的淬火后,可以看到扭曲和残留应力。在服务过程中,齿轮弯曲疲劳可以在齿轮齿的根部启动。这些区域中残留的压缩应力可以降低机械疲劳的风险。下图显示了根部附近的应力是压缩的(蓝色)。

尽管这些是该特定教程的结果,但残余应力取决于冷却过程:不同的冷却场景可能导致截然不同的结果。

钢齿轮的化石和淬火后的残余应力状态图。
淬火后齿轮中的残留应力状态。

能够建模和模拟化石和淬火可以帮助制造商减少试验次数。仿真还可以更轻松地在由不同合金制成的建模齿轮上尝试不同的淬火方法。可视化残余应力可以更深入地了解不同过程对最终结果的影响。

下一步

尝试自己建模化碳化物和淬火过程。单击下面的按钮访问应用程序库,您可以在其中下载文档和MPH文件。

在此博客文章中了解有关金属加工模块的更多信息:引入金属加工模块


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