本发明涉及低碳合金钢材料渗碳淬火热处理工艺模拟技术，具体是利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法。
背景技术：
1、渗碳淬火热处理工艺常用于机械系统关键零部件齿轮的制造，其可提高齿轮表面抗疲劳、耐腐蚀性和耐磨损性，改善材料的机械性能和疲劳强度。渗碳是在奥氏体化区温度范围内，一般在850℃到950℃之间，在低碳钢表面添加碳，在保温一段时间进行淬火，使齿轮高碳表面层形成马氏体，完成硬化，这样一个具有良好耐磨性和抗疲劳性的高碳马氏体外壳就叠加在坚韧的低碳合金钢芯上。尽管有这些优点，但经过渗碳淬火热处理会使关键零部件齿轮会发生变形，关键零部件的明显变形会导致不良影响，例如，渗碳淬火后齿轮的变形会增加传动系统的噪音。为保证改善性能的同时控制变形，选择合适的渗碳淬火工艺是非常重要的。随着计算机数值模拟技术的发展，通过对不同热处理工艺进行模拟仿真分析，确定最优热处理工艺，并对最优热处理工艺进行实验验证，进一步对渗碳淬火热处理工艺参数对温度场、扩散场、应力/变形场和微观组织变化之间的相互作用的影响规律分析，以多目标优化为目的，确定高性能、低变形的热处理工艺。
2、孔令利等在论文《渗碳层厚度对18cr2ni4wa钢齿轮淬火畸变影响的模拟研究》(孔令利,贺瑞军,李贵发.渗碳层厚度对18cr2ni4wa钢齿轮淬火畸变影响的模拟研究[j].金属热处理,2021,46(12):268-275.doi:10.13251/j.issn.0254-6051.2021.12.045)中利用有限元模拟软件，对热处理气淬过程中渗碳层对18cr2ni4wa钢弧形齿轮温度场、应力场、应变场的影响进行了分析；曹志刚等人在论文《渗碳淬火工艺齿轮内部残余应力状态有限元仿真研究》(曹志刚,刘世军,李俞峰,等.渗碳淬火工艺齿轮内部残余应力状态有限元仿真研究[j].内燃机与配件,2022,(10):17-19.doi:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2022.10.010)采用有限元方法对齿轮渗碳淬火过程进行了模拟仿真，展现了淬火试件的温度场的变化和残余应力场的最后形成；以上论文只考虑了单一热处理工艺参数的变化对渗碳淬火热处理的影响，因为进行渗碳淬火多变化参数工艺进行数值模拟仿真，研究热处理工艺参数对温度场、扩散场、应力/变形场和微观组织场的影响规律。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，利用数值模拟仿真结果，分析热处理参数对渗碳淬火热处理多尺度全流程的影响规律，为机械系统关键零部件齿轮的渗碳淬火热处理形性调控进行多目标优化。
2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，包括以下步骤：
3、第一步：建立fzg直齿轮渗碳淬火热处理有限元分析模型：
4、应用solidworks建模软件建立fzg-c型标准直齿轮模型，并导入gid，由于整齿的模拟仿真计算量大，且fzg-c型标准直齿轮对称，为了减小计算量，即只需对单个轮齿模拟也能保证仿真的精度，选用八节点六面体对轮齿进行网格划分，在齿顶、齿底、齿廓附近进行细分网格；
5、第二步：设置fzg直齿轮渗碳淬火热处理有限元分析模型的边界条件与约束条件：温度场边界条件：设置渗碳淬火热处理环境为室温，设置导热系数和表面换热系数；
6、扩散场边界条件：设置渗碳环境碳浓度为1.1％，渗碳后轮齿表面碳浓度为0.75％，设置扩散系数和传递系数；
7、约束条件：分别再xz和yz平面中心上进行典型的三点约束，齿轮可自由变形但不发生刚体移动。
8、第三步：20mncrs5钢热物性参数分析：
9、应用材料模拟软件jmatpro计算20mncrs5钢密度、杨氏模量、剪切模量、泊松比及比热等热物性曲线和cct曲线；
10、进行热模拟实验，采用单轴加载的方法，研究20mncrs5钢马氏体、贝氏体相变时的相变塑性。根据试件在外力作用下发生马氏体、贝氏体相变时的轴向膨胀曲线，测量在不同temperature外加应力作用下由相变塑性所引起的试件变形量，确定了greenwood-johnson模型中的相变塑性参数；
11、进行热传递系数同定实验，采用圆盘形试样评价热处理中所用的冷却剂的冷却能力，将圆盘形试样加热到奥氏体相变以上温度，实验片的材料是奥氏体的不锈钢sus303，其在冷却过程中不会发生相变态，不会由于相变发生潜热而可以做到单独测量冷却剂的冷却能力；
12、第四步：建立渗碳淬火热处理温度-扩散-相变-应力应变场耦合公式：
13、建立渗碳淬火热处理混合规则方程，根据材料内部因相变而发生结构变化的物质点是由奥氏体、珠光体、马氏体和碳化物等n种组分混合组成，将第i种组分的体积记为ξi，则材料的机械和物理性能χ可以表示为各组分性能χi的线性组合方程：
14、
15、
16、ξa+ξp+ξm+ξc＝1
17、上式中：ξa、ξp、ξm、ξc分别为奥氏体、珠光体、马氏体、碳化物的体积分数；
18、建立渗碳淬火热处理传热模型，基于热力学第一定律与传热一般表达式，引入比热容函数与焓密度函数，可得在相变与应力应变耦合作用下的传热方程：
19、
20、表面传热的对流换热边界条件为：
21、其中，第二项表示弹性功产生的潜热、第三项表示非弹性应变产生的潜热、第四项表示组织相变产生的潜热，ρ、c、t、σij、h、κ及k分别代表密度、比热、温度、弹性应变、塑性应变、流动应力、焓密度、硬化系数及导热系数，x代表不同位置；ht和tw分别为单位法向的换热系数和冷却剂在换热边界上的温度；
22、建立渗碳淬火热处理渗碳模型，基于菲克第二定律的扩散方程描述渗碳过程，扩散方程：
23、
24、外部边界条件为：
25、上式中：
26、dc＝∑dci(c)ξi
27、
28、其中，c、cw、rc分别表示碳的扩散质量百分比、环境碳势和碳的内部来源，βc为碳的扩散系数，为碳浓度梯度；
29、建立渗碳淬火热处理相变动力学模型，模拟渗碳淬火热处理假定显微组织由三种成分组成：奥氏体、珠光体或贝氏体和马氏体，珠光体的形成是奥氏体中碳原子和铁原子扩散且重新排列形成珠光体，从奥氏体到珠光体的扩散型转变是基于johnson-mehl关系计算，由于采用渗碳淬火热处理工艺，渗碳过程会对齿轮进行表面硬化处理，需要考虑碳含量变化对扩散型转变的因素，珠光体的体积分数ξp公式为：
30、
31、
32、f2(c)＝exp{-a7(c-c0)}
33、f3(σ)＝exp(a8σm)
34、其中：ai(＝0，1，2，3，4，5，6，8)为转变动力学参数,a7是取决于碳的变化参数：c和c0分别为当前和初始碳含量；
35、从奥氏体到马氏体的非扩散型转变是基于magee动力学计算，则马氏体相变体积变化公式：ξm＝1-exp{φ1t+φ2(c-c0)+φ3σm+φ4σe+φ5}；
36、其中，σm和σe为平均应力和等效应力；φ1～φ5系数由试验确定且为材料参数；
37、建立渗碳淬火热处理应力应变本构模型，由材料的本构方程可知，相变下材料的总应变率表示为弹性应变速率、塑性应变速率、热应变速率、相变应变速率、相变塑性应变速率及扩散诱导应变率速率之和，表达式为：
38、
39、
40、其中，e、ν、α、β分别代表材料杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、相变膨胀系数的全局形式，σij与δij分别表示应力与应变，和f分别代表硬化函数和屈服函数，a为奥氏体的晶格参数，与分别表示t0与t1时刻的碳含量；
41、建立渗碳淬火热处理硬化准则模型，淬火后的硬度取决于其材料、金相组织和冷却速度，硬度公式为：hv＝ξm·hvm+ξb·hvb+ξf·hvf+ξp·hvp；
42、马氏体硬度计算公式为：hvm＝n·mt；
43、贝氏体硬度计算公式为：hvb＝n·bt；
44、铁素体和珠光体的硬度为：hvp＝hvf＝n·ft；
45、由于渗碳淬火后零件表面残留的奥氏体(ra)会降低高碳马氏体的硬度，残余奥氏体的硬度公式为：
46、对马氏体硬度计算公式进行修正：hrccorrectedm＝hrcm-δhrc；
47、对硬度公式进行修正：hvcorrect＝vm·hvcorrectedm+vb·hvb+vf·hvf+vp·hvp；
48、第五步：调用20mncrs5钢热物性参数、cct曲线及渗碳淬火热处理温度-扩散-相变-应力应变场耦合公式，并结合fzg直齿轮有限元分析模型，编写渗碳淬火热处理全流程仿真程序，利用cosmap热处理模拟软件对四种不同渗碳淬火热处理工艺进行数值模拟，以表面残余应力和变形量为目标，对渗碳淬火热处理拟模仿真结果进行分析，确定最优渗碳淬火热处理工艺。
49、根据最优渗碳淬火热处理工艺，改变其淬火方式(以淬火角度0°、60°)，重新利用cosmap热处理模拟软件对修改工艺进行模拟仿真，并对该工艺进行实验，仿真结果与实验结果进行对比分析。
50、根据仿真结果(残余奥氏体、马氏体、珠光体、温度、碳浓度、应力、硬度及变形分布图)和实验测量结果(硬度、残余应力、残余奥氏体)，基于连续体热力学理论和相变动力学理论，分析渗碳淬火热处理工艺参数对温度-扩散-相变-应力应变多耦合场和机械性能的影响规律，为机械系统关键零部件齿轮的渗碳淬火热处理形性调控进行多目标优化。
1.利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，其特征在于，第二步中边界条件与约束条件分别为：
3.根据权利要求1所述的利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，其特征在于，第三步具体方法为：
4.根据权利要求1所述的利用热处理数值改进渗碳淬火热处理形性调控工艺的方法，其特征在于，第四步具体方法为：
