合金锻件的力学性能的测试方法及应力松弛数值模拟方法

摘要

本发明涉及一种合金锻件的力学性能的测试方法及应力松弛的数值模拟方法，属于力学性能测试技术领域，解决了现有技术中的回火数值模拟获得材料力学性能难、实验时间长的问题。该测试方法包括如下步骤：对多个淬火态的单一组织试样进行回火热处理，在升温过程中的不同温度下，取样进行冷却，获得升温试样；在保温过程中的不同时间，取样进行冷却，获得保温试样；在冷却过程中的不同温度下，取样进行冷却，获得冷却试样。将升温试样、保温试样和冷却试样升温至取样温度，匀温后，进行应力应变测试，获得合金锻件的力学性能参数。本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法可用于测试合金锻件的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种力学性能测试方法，尤其涉及一种合金锻件的力学性能的测试方法及应力松弛的数值模拟方法。

背景技术

随着计算机技术的快速发展，有限元建模仿真技术在合金锻件热塑性成形和热处理领域得到了广泛的应用。

其中，回火是热处理的重要环节，通常情况下，回火会减少或消除残余应力，但是，应力松弛的机理十分复杂，合金锻件中的合金材料在回火过程中碳化物会从马氏体或贝氏体中析出、聚集，残余奥氏体也会发生分解；珠光体、铁素体中的碳化物也会发生形态上的变化。从而导致材料力学性能发生变化，上述复杂的过程导致的力学性能变化是无法一一反映到模拟计算中去的。

清华大学的刘庄等人(回火过程数值模拟的研究，《大型铸锻件》，1998年第2期，P1-7)在进行回火过程的数值模拟时，简化了合金锻件材料在回火过程中的复杂变化，以实测珠光体的力学性能参数代替回火后的合金锻件的力学性能参数，在未完全析出的过程中，采用加权平均法计算参数值。但是，这种方法过于简化，不能完全准确地体现合金锻件在回火过程中的力学性能变化。

P.Pheltlam等人(Microstructure based flow stress modeling for quenchedand tempered low alloy steel,Materials&Design(2015),189-199)公开描述了回火过程中碳化物析出和流变应力的模型，但是该模型只适用于马氏体的回火过程，而且模型中的参数测量工作量很大。

现有技术中，也可以直接在热模拟压力机(Gleeble)上对试样进行热处理，获得不同回火温度下的材料力学性能，然后输入到数值模型中来获得合金锻件在回火过程中的力学性能变化，然而，由于大型锻件热处理工艺复杂，周期长，采用上述方法测定各个组织的应力应变曲线，不但耗时耗力，而且大大增加实验成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种合金锻件的力学性能的测试方法及应力松弛的数值模拟方法，解决了现有技术中回火数值模拟难以获得材料力学性能数据的问题，该测试方法能够测试合金锻件中的铁素体、珠光体、贝氏体和/或马氏体组织在回火过程中的不同阶段的应力应变曲线，高效快捷，大大降低了实验成本。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种合金锻件的力学性能的测试方法，包括如下步骤：

步骤S1：在合金锻件的回火热处理过程中，获得合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程；

步骤S2：对由合金锻件制成的多个淬火态的单一组织试样进行回火热处理，回火热处理制程与步骤S1获得的实际回火热处理制程相同；

在回火热处理的升温过程中的不同温度下，取出经过升温的淬火态的单一组织试样进行冷却，获得一系列的升温试样；

在回火热处理的保温过程中的不同时间，取出经过保温的淬火态的单一组织试样进行冷却，获得一系列的保温试样；

在回火热处理的冷却过程中的不同温度下，取出经过冷却的淬火态的单一组织试样进行冷却，获得一系列的冷却试样；

步骤S3：将升温试样、保温试样和冷却试样分别升温至取样温度，保温均匀后，进行应力应变测试，测得合金锻件的淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，获得合金锻件的力学性能参数。

进一步地，步骤S1包括如下步骤：在合金锻件的回火热处理过程中，采用温度数值模拟方法获取合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程。

进一步地，步骤S1包括如下步骤：在合金锻件的回火热处理过程中，采用热电偶测温方法测得合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程。

进一步地，步骤S2包括如下步骤：

步骤S21：将由合金锻件制成的多个淬火态的单一组织试样升温至回火温度，在升温过程中，每隔50℃～200℃取出一个经过升温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的升温试样；

步骤S22：升温至回火温度后，对步骤S21中剩余的经过升温的淬火态的单一组织试样进行保温，在保温过程中，每隔0.5h～5h取出一个经过保温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的保温试样；

步骤S23：保温结束后，对步骤S22中剩余的经过保温的淬火态的单一组织试样进行进行冷却，在冷却过程中，每隔50℃～200℃取出一个经过冷却的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的冷却试样。

进一步地，步骤S21包括如下步骤：将多个由合金锻件制成的淬火态的单一组织试样升温至回火温度，在试样温度从150℃升至回火温度的过程中，每隔50℃～200℃取出一个经过升温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的升温试样。

进一步地，步骤S3中，升温速率大于或等于5℃/s。

进一步地，淬火态的单一组织试样为马氏体试样、贝氏体试样、珠光体试样、铁素体试样中的一种或多种。

进一步地，淬火态的单一组织试样采用如下方法制得：

将合金锻件切割成多个待处理试样；

将待处理试样升温至奥氏体化温度，保温至待处理试样全部奥氏体化，得到奥氏体化的试样；

根据合金锻件中合金材料的过冷奥氏体连续冷却转变曲线，将奥氏体化的试样冷却，制得淬火态的单一组织试样。

进一步地，合金锻件的横截面的特征尺寸大于或等于1m；特征尺寸为四倍的合金锻件的横截面面积与合金锻件的横截面周长的比值。

本发明还提供了一种合金锻件的应力松弛数值模拟方法，包括如下步骤：采用上述合金锻件的力学性能的测试方法测得合金锻件的淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，获得合金锻件的力学性能参数；将力学性能参数输入合金锻件的回火过程应力松弛的数值模型中，实现对合金锻件的应力松弛的预测。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法中，淬火态的单一组织试样的回火热处理的制程与合金锻件的实际回火热处理的制程相同，可以保证上述测试方法能够反映合金锻件实际的回火热处理过程中的力学性能的变化，从而能够真实地反映合金锻件在回火过程中的温度、碳化物析出、长大、球化等变化引起的力学性能变化。将采用上述方法测得的力学性能参数应用于回火热处理的数值模拟中，可以提高回火应力模拟和变形数值模拟的准确性，从而实现对合金锻件回火热处理的精确控制和预测。

b)本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法，在回火热处理过程中，对取出的试样进行冷却，能够保留该试样在冷却前的回火组织结构。

c)本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法可以节省实验的时间，降低设备损耗，增加实验可实施性和简便性。

d)本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法能够保证上述试样在再次快速升温过程中组织不会发生变化从而能够再现冷却前的回火阶段对应的回火组织。

e)本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法尤其适用于大型合金锻件的力学性能的测试。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节的力学性能的测试方法中测试贝氏体的回火温度、取样点的示意图；

图2为本发明实施例一的2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节的力学性能的测试方法中测试马氏体的回火温度、取样点的示意图；

图3为本发明实施例三的SA508-3钢焊接母材的贝氏体的力学性能的测试方法中测试贝氏体的回火温度、取样点的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

第一方面，本发明提供了一种合金锻件的力学性能的测试方法，包括如下步骤：

步骤S1：在合金锻件的回火热处理过程中，获得合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程。

步骤S2：对由上述合金锻件制成的多个淬火态的单一组织试样进行回火热处理，回火热处理制程与步骤S1获得的实际回火热处理制程相同；在回火热处理的升温过程中的不同温度下，取出经过升温的淬火态的单一组织试样进行冷却(例如，水淬或者炉冷)，获得一系列的升温试样；在回火热处理的保温过程中的不同时间，取出经过保温的淬火态的单一组织试样进行冷却，获得一系列的保温试样；在回火热处理的冷却过程中的不同温度下，取出经过冷却的淬火态的单一组织试样进行冷却，获得一系列的冷却试样。

步骤S3：将上述升温试样、保温试样和冷却试样分别升温至取样温度，保温均匀后，进行应力应变测试，测得合金锻件的淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，从而获得合金锻件的力学性能参数。

与现有技术相比，本发明提供的合金锻件的力学性能的测试方法中，淬火态的单一组织试样的回火热处理的制程与合金锻件的实际回火热处理的制程相同，可以保证上述测试方法能够反映合金锻件实际的回火热处理过程中的力学性能的变化，从而能够真实地反映合金锻件在回火过程中的温度、碳化物析出、长大、球化等变化引起的力学性能变化。将采用上述方法测得的力学性能参数应用于回火热处理的数值模拟中，可以提高回火应力模拟和变形数值模拟的准确性，从而实现对合金锻件回火热处理的精确控制和预测。

并且，在回火热处理过程中，对取出的淬火态的单一组织试样进行冷却，能够保留该试样在冷却前的回火组织结构。

此外，上述方法可以节省实验的时间，降低设备损耗，增加实验可实施性和简便性。

具体来说，上述步骤S1中，可以采用温度数值模拟方法获取上述合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程；或者，也可以采用热电偶测温方法测得上述合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程。当然，也可以采用其他的方式来获得上述合金锻件的不同位置的实际回火热处理制程，在此不一一限定。

对于步骤S2，其包括如下步骤：

步骤S21：将由合金锻件制成的多个淬火态的单一组织试样升温至回火温度，在升温过程中，每隔50℃～200℃取出一个经过升温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的升温试样。

步骤S22：升温至回火温度后，对步骤S21中剩余的经过升温的淬火态的单一组织试样进行保温，在保温过程中，每隔0.5h～5h取出一个经过保温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的保温试样。

步骤S23：保温结束后，对步骤S22中剩余的经过保温的淬火态的单一组织试样进行进行冷却，在冷却过程中，每隔50℃～200℃取出一个经过冷却的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的冷却试样。

为了进一步节省实验时间，上述步骤S21中，可以升温至150℃后，每隔50℃～200℃取出一个经过升温的淬火态的单一组织试样，并进行冷却，获得一系列的升温试样。这是因为，淬火态的单一组织试样的温度在150℃以下，合金材料的组织是不会发变化的，因此，为了进一步节省实验时间，可以选择升温至150℃后，每隔50℃～200℃取出一个淬火态的单一组织试样。

对于步骤S3，其包括如下步骤：

将步骤S2获得的升温试样、保温试样和冷却试样加工成标准的φ10×15mm压缩试样，将多个压缩试样分别升温至取样温度，保温均匀后，在Gleeble热模拟压力机上进行应力应变测试，测得合金锻件的淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，从而获得合金锻件的力学性能参数。

为了保证升温试样、保温试样和冷却试样在升温过程中或组织不会发生变化，上述步骤S3中，升温速率应该大于或等于5℃/s，由于升温速度快，升温不会造成额外的碳化物的析出及其他变化，从而能够保证上述试样在再次快速升温过程中组织不会发生变化从而能够再现冷却前的回火阶段对应的回火组织。

需要说明的是，上述淬火态的单一组织是指马氏体、贝氏体、珠光体、铁素体中的一种或多种，那么，相应地，淬火态的单一组织试样是指马氏体试样、贝氏体试样、珠光体试样、铁素体试样中的一种或多种。

而对于淬火态的单一组织试样的制备，其可以采用如下方法制得：

将合金锻件切割成多个待处理试样；

将上述待处理试样升温至奥氏体化温度，保温至上述待处理试样全部奥氏体化，得到奥氏体化的试样；

根据合金锻件中合金材料的过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)，将上述奥氏体化的试样冷却，制得淬火态的单一组织试样。

采用上述测试方法测试大型合金锻件时，相比于现有技术，其在节省实验的时间，降低设备损耗，增加实验可实施性和简便性的优势尤为明显，需要说明的是，大型合金锻件是指横截面的特征尺寸大于或等于1m的合金锻件。特征尺寸是指四倍的合金锻件的横截面面积与合金锻件的横截面周长的比值，举例来说，当合金锻件的横截面的形状为圆形，其特征尺寸＝4πR²/2πR＝2R，也就是说，圆形的特征尺寸为其直径D，其中，R为圆形的半径，D为圆形的直径；当合金锻件的横截面的形状为长方形，其特征尺寸＝4AB/2(A+B)，其中，A为长方形的宽，B为长方形的长。

第二方面，本发明提供了一种合金锻件的应力松弛的数值模拟方法，包括如下步骤：采用上述合金锻件的力学性能的测试方法测得合金锻件的淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，获得合金锻件的力学性能参数；将上述力学性能参数输入合金锻件的应力松弛的数值模型中，从而实现对合金锻件的应力松弛的预测。

与现有技术相比，本发明提供的合金锻件的应力松弛的数值模拟方法的有益效果与上述合金锻件的力学性能的测试方法的有益效果相似，在此不再赘述。

实施例一

本实施例提供了一种2.25Cr-1Mo-0.25V材料贝氏体、马氏体在回火过程中的力学性能的测试方法，如图1至图2所示。其中，2.25、1、0.25均是指相应各元素的质量百分比。

本实施例对贝氏体、马氏体淬火组织在回火过程中的应力应变曲线的测试方法，包括如下步骤：

步骤SA：采用温度数值模拟方法，测得2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节的回火热处理制程(温度曲线)，其中，回火升温速率为50℃/h，回火温度为710℃，回火保温时间为6h，回火冷却方式为炉冷；

步骤SB：通过电火花切割手段，将2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节切割成30个φ15×20mm待处理试样；

步骤SC：将15个待处理试样分别装卡到热处理炉上，并以5℃/s的速率快速升温至900℃，保温5min，然后以50℃/min的冷却速率冷却至室温，分别得到15个贝氏体试样；

将15个待处理试样分别装卡到热处理炉上，并以5℃/s的速率快速升温至900℃，保温5min，然后以水冷的冷却方式冷却至室温，得到15个马氏体试样；

步骤SD：将上述15个贝氏体试样和15个马氏体试样全部放入到热处理炉中进行回火热处理，其中，回火升温速率为50℃/h，回火温度为710℃，回火保温时间为6h，回火冷却方式为炉冷；

步骤SE：在回火热处理的升温过程中，在试样温度为150℃、250℃、380℃、450℃、520℃、650℃时，分别取出一个贝氏体试样和一个马氏体试样，并立即进行水淬，获得一系列的升温贝氏体试样和升温马氏体试样；

步骤SF：当升温至回火温710℃后，对步骤SE中剩余的贝氏体试样和马氏体试样进行保温，在保温过程中，在保温阶段的开始时刻、中间时刻和结束时刻，分别取出一个贝氏体试样和一个马氏体试样，并立即进行水淬，获得一系列的保温贝氏体试样和保温马氏体试样；

步骤SG：当保温结束后，对步骤SF中剩余的贝氏体试样和马氏体试样进行冷却，在冷却过程中，在试样温度为650℃、520℃、450℃、380℃、250℃、150℃时，分别取出一个贝氏体试样和一个马氏体试样，并立即进行水淬，获得一系列的冷却贝氏体试样和冷却马氏体试样；

步骤SH：将上述升温贝氏体试样、升温马氏体试样、保温贝氏体试样、保温马氏体试样、冷却贝氏体试样和冷却马氏体试样(P29～P41、Q29～Q41)加工成标准的φ10×15mm压缩试样；

步骤SI：将加工好的压缩试样安装到Gleeble热模拟压力机上，并以5℃/s的速率分别升温至取样温度，保温10s，然后以0.001s^-1的应变速率压缩20％，测得贝氏体、马氏体淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线。

实施例二

本实施例提供了一种2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节的回火应力松弛的数值模拟方法，包括如下步骤：

采用实施例一的测试方法测得贝氏体、马氏体淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，获得贝氏体、马氏体淬火组织在回火热处理过程中的的力学性能参数；

将上述力学性能参数输入到加氢筒节调质热处理变形预测的数值模拟模型中，得到回火后的变形云图，从而对2.25Cr-1Mo-0.25V材料筒节的热处理变形进行预测。

实施例三

本实施例提供了一种SA508-3钢焊接母材的贝氏体在回火过程中的力学性能的测试方法，如图3所示。

本实施例对SA508-3钢焊接母材的贝氏体淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线的测试方法，包括如下步骤：

步骤SA：采用温度数值模拟方法，得到SA508-3焊接试板的回火热处理制程温度曲线，其中，回火升温速率为25℃/h，回火温度为620℃，回火保温时间为40h，回火冷却方式为15℃/h炉冷；

步骤SB：通过电火花切割手段，将SA508-3焊接试板切割成26个φ15×20mm待处理试样；

步骤SC：将上述26个试样全部放入到热处理炉中进行回火热处理，其中，回火升温速率为25℃/h，回火温度为620℃，回火保温时间为40h，回火冷却方式为15℃/h炉冷；

步骤SD：在回火热处理的升温过程中，在试样温度为室温、300℃时，各取出一个试样，并立即进行水淬，获得一系列的升温试样；

步骤SE：当升温至回火温620℃后，对步骤SD中剩余的试样进行保温，在保温过程中，分别在回火保温阶段的0h、0.5h、1h、2h、3h、4h、6h、25h和40h，各取出一个试样，并立即进行水淬，获得一系列的保温试样；

步骤SF：当保温结束后，对步骤SE中剩余的试样进行冷却，在冷却过程中，在试样温度为300℃、室温，各取出一个试样，并立即进行水淬，获得一系列的冷却试样；

步骤SG：将上述升温试样、保温试样和冷却试样(1#～12#)加工成标准的φ10×15mm压缩试样；

步骤SH：将加工好的压缩试样安装到Gleeble热模拟压力机上，并以5℃/s的速率分别升温至取样温度，保温10s，然后以0.001s^-1的应变速率压缩20％，测得SA508-3钢焊接母材的贝氏体淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线。

实施例四

本实施例提供了一种SA508-3钢焊接母材的回火应力松弛的数值模拟方法，包括如下步骤：

采用实施例三的测试方法测得SA508-3钢焊接母材的贝氏体淬火组织在回火热处理过程中的应力应变曲线，获得SA508-3钢焊接母材的力学性能参数；

将上述力学性能参数输入到焊后热处理的数值模拟模型中，从而对焊后热处理应力松弛的预测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。