DEFORM在金属热处理工艺设计中的应用【文献】
国家模具 CAD工程研究中心 濮伸佳 马月青 董万鹏 胡广洪
金属材料的塑性成形加工方法（包括锻造、挤压、冲压、拉深等工艺）是一种将材料制成机械零部件的成形与改性的生产方式，是从属于材料和制造两大工业领域的交叉学科与技术。其中，金属材料的热处理工艺是在固态条件下将金属或合金加热到一定的温度，保持一定的时间，然后用不同的冷却方法冷却下来，通过对加热温度、保温时间、冷却速度 3 个主要因素的有机配合，使其发生金属相的转变，形成各种各样的组织结构，而获得所需要的使用性能的一种热加工工艺。
为保证机械产品的质量和使用寿命，通常都要将重要的机械零件进行热处理，例如机床制造业中有 60%~70% 的零件要进行热处理，汽车和拖拉机制造业中有 70%~80% 的零件要进行热处理，工模具制造业中则 100% 要进行热处理。而且，只要选择的金属材料合适，热处理工艺得当，就能使机械零件的使用寿命成倍、甚至十几倍地提高，收到事半功倍的效果。因此，热处理是机械零件和工模具制造过程中的关键工序，也是机械工业的一项重要基础技术，对于提高和控制材料的性能，充分发挥材料的性能潜力，节约材料，减少能耗并增加产品的可靠性，延长产品的使用寿命，提高生产单位经济效益等都具有十分重要的意义。因此，国际工业界公认：热处理技术的先进程度是保证机械制造技术先进与否和保证产品质量的最关键因素。
数值模拟技术
数值模拟技术的出现改变了我们传统的工艺设计方法，通过计算机软件技术我们可以无需试模就能够预测工业实际生产中的金属流动情况，是降低 制造成本，缩短研发周期高效而实用的工具。通过在计算机上模拟整个产品的加工过程，帮助工程师和设计人员：
（1）设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本；
（2）提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；
（3）缩短新产品的研究开发周期。
在众多的模拟软件中，由美国 SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）研发的 Deform 是一套基于有限单元法的工艺仿真软件系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。其中的热处理模块（Heat Treatment）可以模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程，能够预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量，并且有专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散分析，同时可以分析材料晶相，以及每种晶相的弹性、塑性、热和硬度属性等。
多年以来，由于热处理工艺的复杂性和对此认识的局限，使得对于热处理的计算机模拟这一领域的研究一直都是各国学者和专家们所致力的热点和重点。目前，Deform 对所能进行分析的材料和工艺类型见表 1，其中绿色表示此模型功能已实现，黄色代表该模型尚处在研发状态。
工艺实例
为了更为形象地说明 Deform 软件在金属热处理工艺设计中的应用，本文以一齿轮锻件的热处理工艺设计为例进行阐述，其渗碳工艺方案如图 1 所示。
软件平台：Deform 2D V8.1 + HT
硬件平台：HP D330
系 统：Windows XP CHS SP2
模拟结果
一低碳钢锥齿轮渗碳后油冷，而后再进行调质处理。图 2 的云图清晰地表明了经过调质处理后的锥齿轮的马氏体含量由原来的 80% 下降到现在的 25% 左右，其综合机械性能和疲劳强度都得到相应的提升，这和已有的实际经验是完全一致的。
图 3 是对锥齿轮在调质前后其硬度的对比，通过计算机模拟，我们可以清楚地知道通过调质处理，齿轮的耐磨性得到了提升，径向应力也从原来的 160ksi 降低到处理后的 130ksi。
Deform 不仅仅是对应力应变以及金属相进行分析，而且还能够对产品的机械性能进行预测和模拟。图 4 就显示了经过调质处理后，产品的硬度变化情况。
结束语
数值模拟技术在中国的发展与应用已有二十多年了，经过无数学者和专家的努力，今天已成为了工厂产品设计与开发的重要工具。由于我国的工业化起步较晚，发展水平远远低于西方工业发达国家，在材料模型、设备模型、数据挖掘等方面的技术积累明显不足，技术人员在发展高科技，新工艺的同时也不能放松对材料成形工业的基础性研究。
参考文献
1 崔忠沂，刘北兴编。金属学与热处理原理。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
2 谭家骏主编。金属材料及热处理专业知识解答。北京：国防工业出版社，1997
3 樊东黎。论我国热处理生产的技术改造。金属热处理，1998,(7):28~29
4 Kobayashi S, Oh S I, Altan T. Metal Forming and the Finite Element Method. New York: Oxford University Press,1989:1~370.
5 顾剑峰，潘健生等。淬冷过程计算机模拟的若干进展。金属热处理，1998,(12):30~31
原资料见附件
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