Открытый доступ
Платный доступ или доступ для подписчиков
Исследование процесса атмосферной цементации стали 16Cr3NiWMoVNbE на основе связанной модели теплопередачи, диффузии и фазового превращения и проверка ее надежности
Аннотация
Для повышения эффективности и точности оптимизации параметров процесса цементации разработана мультифизическая конечно-элементная модель, объединяющая теплопередачу, диффузию углерода и фазовые превращения. Предложенная модель использована для систематического исследования синергетического влияния ключевых переменных процесса, включая температурное поле, углеродный потенциал и время выдержки, на эффективность цементации. На основе трех стратегий цементации (низкотемпературная/длительная/низкий углеродный потенциал; высокотемпературная/ кратковременная/высокий углеродный потенциал; среднетемпературная/умеренная длительность/ средний углеродный потенциал) спрогнозированы и проанализированы эффекты цементации. Для оценки точности результатов моделирования проведена экспериментальная проверка градиента твердости стали после термической обработки по оптимизированному режиму. Среднее отклонение между прогнозируемыми и измеренными значениями составило 1,254 %, что подтверждает надежность предложенной мультифизической модели и разработанного режима цементации. Полученные результаты исследования являются руководством для выбора оптимальных параметров цементации в инженерных приложениях.
Ключевые слова
Литература
Teng BQ, Chang CJ. A new material for aeroengine—16Cr3NiWMoVNbE gear steel. Aeroengine. 2003; (02):34–37. [in Chinese]
Sun F, Wang GS, Tong XJ. Status and development of heat treatment in aviation industry. Heat Treatment of Metals. 2014; 39(01):58–66. [in Chinese]
Fan DL, Pan JS, Xu YM, et al. Chinese Encyclopedia of Materials Engineering, Vol. 16. Beijing: Chemical Industry Press; 2005. [in Chinese]
Yang SC, Hu JF, Yin ZQ, et al. Common problems and preventive measures in gas carburizing. Heat Treatment Technology and Equipment. 2024; 45(04):62–64. [in Chinese]
Yuan L, He DP, He X, et al. Finite element simulation of vacuum low-pressure carburizing and quenching for 16Cr3NiWMoVNbE steel C-ring. Heat Treatment of Metals. 2022; 47(09):257–263. [in Chinese]
Zhang JW, Yu LM, Liu CX, et al. Synergistic strengthening mechanism and deformation heat treatment of high Cr martensitic heat-resistant steel. Acta Metallurgica Sinica. 2024; 60(06):713–730. [in Chinese]
Ren N, Li J, Zhang R, et al. Solute trapping and non-equilibrium microstructure during rapid solidification of additive manufacturing. Nat Commun. 2023; 14(1):7990.
Chen N. Improvement of carburizing process for 16Cr3NiWMoVNbE gear steel. Mechanical Engineer. 2016; (08):162–163. [in Chinese]
Guo Y, Guan J, Liu M, Su R, Xiao D, Hu L. Microwave-assisted carbochlorination recovery of indium: process of dynamic simulation based on multi-field coupling. ES Energy Environ. 2019. [PDF only]
Guo J, Deng X, Wang H, Zhou L, Xu Y, Ju D. Modeling and simulation of vacuum low pressure carburizing process in gear steel. Coatings. 2021; 11(8):1003.
Quan G, Zou Z, Zhang Z, Pan J. A study on formation process of secondary upsetting defect in electric upsetting and optimization of processing parameters based on multi-field coupling FEM. Mater Res. 2016; 19(2):362–369.
Wang J, Yang S, Li J, et al. Mathematical simulation and experimental verification of carburizing quenching process based on multi-field coupling. Coatings. 2021; 11(9):1132.
Li HP, Zhao GQ, He LF, et al. Numerical simulation of carburizing concentration field based on finite element method. Heat Treatment of Metals. 2008; (10):79–83. [in Chinese]
Wang X. Numerical simulation study of carburizing and quenching process and distortion in high-speed locomotive gears [D]. Machinery Science Research Institute, 2019. [in Chinese]
Zhang ZZ, Zhang Y, Hu YB, Liu ZC. Vacuum carburizing heat treatment simulation and optimization of process parameters for 9310 aerospace gears. J Chongqing Univ Technol (Nat Sci Ed). 2024. [in Chinese]
Amirante D, Ganine V, Hills NJ, Adami P. A coupling framework for multi-domain modelling and multi-physics simulations. Entropy. 2021; 23(6):758.
Mianroodi JR, Shanthraj P, Liu C, Vakili S. Modeling and simulation of microstructure in metallic systems based on multi-physics approaches. npj Comput Mater. 2022; 8:156.
Tong D, Gu J, Totten GE. Numerical simulation of induction hardening of a cylindrical part based on multi-physics coupling. Model Simul Mater Sci Eng. 2017; 25(6):065009.
Wang F, Ma X, Wei Z, Wu Y, Huang C. Lightning damage of composite material driven by multi-physics coupling. Compos Sci Technol. 2023; 232:109805.
Li P, Yu R, Yan S, Zhang C, Wang Y, Yang L. Study on deformation behavior of Ti60 alloy based on multi-physics coupling. Mater Today Commun. 2024; 38:106021.
Lee S, Matlock KD, Tyne VJC. An empirical model for carbon diffusion in austenite incorporating alloying element effects. ISIJ Int. 2011; 51(11):1903–1911.
DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2026.2.62-63
© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026