第 1 章 绪论
1.1 引言
塑料模具钢材 3Cr2Mo 材料本质伸展性、韧性、溶接性极好，拥有良好的镜面加工性，放电后很少产生条纹组织，大断面硬度均匀，加工性能出色，抛光性能良好，焊接性优良，补切削性比一般的快削钢和 CSM 系钢材都要好，在未来将广泛用于对焊接性及被切削性要求高的产品。近年来，模具钢材向大型化、复杂化、精密化方向发展，如汽车灯具模具、表盘模具、大型日用品和家用电器等，因此对高质量模具钢块的需求日益增加。为了适应市场的需要，许多单位都在致力于提高冶金与轧锻质量、优化热处理工艺和提高模具寿命。淬火是热处理工艺中最重要的工艺。淬火的主要目的是提高钢的硬度、强度、耐磨性和硬磁性，以及与各种回火工艺配合以提高钢的强韧性或弹性等。淬火作为改变和提高材料性能的重要手段，在汽车、航空、运输、建筑及其它制造业领域中有着广泛而重要的应用。
多年来材料科学与技术的发展为人们积累了大量宝贵的实践经验和深入系统的理论知识。晶体学、金相学和金属学从微观到宏观揭示了淬火的奥秘，电子显微镜、X射线衍射仪等先进的分析测试仪器被用于探索淬火的客观规律，基于现有的知识，比如相图、TIT图、CCT图和淬透性曲线，已经可以对淬火工艺进行可靠的设计。然而，淬火过程涉及到复杂的物理及化学过程，材料内部的温度，组织及应力不断地发生变化。虽然单就传热、固态相变或弹塑性力学三方面来讲，都已有各自有成熟的理论，但这三种不可逆过程相互耦合问题尚缺乏定量的统一理论，特别是固态相变的多样性与复杂性及传热和弹塑性变形之间的交互作用。要从理论上对其过程各场量进行解析很困难。另外，由于淬火过程涉及高温作业、在线测量等，在当前技术条件下也有许多困难。不但人力、物力、财力浪费很大，所得结果仍有较大的局限性。因此，传统的热处理技术难以对生产的结果进行精确的定量预测，热处理工艺的制订一般都依赖现场工程技术入员的经验，难免存在不同程度的盲目性，影响到热处理质量的精确控制，也成为制约制造业发展的瓶颈。
在生产实际中，淬火变形和残余应力问题长期以来一直困扰着设计人员和工艺技术人员，是阻碍机械制造和工模具制造技术进步的难题之一。有资料显示，在欧洲由于畸变引起的成本增加占整个制造成本的4％以上，消耗在校直工序和特殊工装的成本往往占到热处理成本的20％－25％，仅在轴承工业，每年畸变带来的附加成本估计超过10亿美元。另据德国工业联合会(VDMA) 调查，仅1995年，在德国的动力传动制造领域，由于消除畸变而增加的成本高达8.5亿欧元。
随着计算机技术的发展，数值模拟方法为淬火过程中相互作用的各场量的计算提供了强有力的工具。对于淬火过程模拟就是利用热学、力学、数学及材料学的知识，通过对介质流场、工件内温度场、组织场、应力应变场进行耦合计算，用计算机图形技术直观的给出温度、组织、应力在每一时刻全场分布的定量数据，研究工艺参数对各种场的影响规律，并以此为依据高效地优化工艺参数。计算机模拟可以在虚拟的实验室中进行材料热加工过程的各种虚拟实验，与传统实验相比，虚拟/仿真实验具有灵活、快速、低价等优点。计算机模拟技术越来越受到工业界的认可和重视，计算机模拟的应用将有望能使热处理摆脱依赖于经验和操作者技能的落后状况，向着能精确预测生产结果和实现可靠的质量控制方向发展。本文以试验测试为核心，对3Cr2Mo模具钢的相变过程和相变中的相变塑性进行了研究，为后续的数值模拟计算提供了重要数据。
1.2 热处理过程数值模拟的研究概况
进入20世纪70年代以来，国内、外对热处理过程进行了较多的研究，取得了前所未有的进展，取得了很多成果。1978年瑞典学者Hidenwall[12]计算了渗碳钢的淬火残余应力，在计算时使用了最初用于根据等温转变的孕育期预测连续冷却时转变温度的叠加法则，将连续冷却离散成每一小时间段的阶梯冷却，借助虚拟时间的概念成功地解决了如何利用TIT曲线预测连续冷却过程组织转变量的问题。到了八十年代，奥地利的Rammerstorfer[13]对淬火过程进行了热弹塑性分析，并对比了等向强化和随动强化、蠕变、相变塑性等对模拟结果的影响，结果发现相变塑性对应力影响较大，而蠕变影响较小可以忽略。1984年5月23--25日在瑞典召开的第一届金属材料热处理内应力计算会议(International ConferenceCalculation of Internal Stress in Heat Treatment of Metallic Materials)，有17个国家，近百名学者参加，并发表了大量的有价值的文献，将研究工作推向了高潮。
后来日本的Umemoto[14]对Fe-0.2C、Fe-0.43C合金的铁素体，法国的Denis[15,16]则在马氏体淬火过程中的热力学分析和内应力计算过程中全面考虑了相变塑性和内应力对马氏体转变动力学的影响，描述了它们对残余应力的影响，并与实际测定的应力状态进行了对比。Fernandes[17]等人对XC80合金的珠光体进行了类似的研究，验证了该离散原则的可行性。此外，匈牙利的Gergely[18]、瑞典的Sjostrom[19]和德国的Schroder[20]也对淬火过程硬化法则、产品尺寸、工艺条件的影响进行了数值分析，为热处理数值模拟的发展做了贡献。Denis[21,22]建立了淬火过程温度、相变及应力／应变相互耦合的数学模型，该模型把相变塑性作为附加塑性，并考虑了相变塑性和内应力对相变动力学的影响，采用该模型编制有限元程序计算60-NCDll钢淬冷内应力，计算结果和实测值吻合的较好。
第 2 章 3Cr2Mo 钢连续/等温转变动力学曲线的实验研究
2.1 引言
奥氏体相变动力学图包括等温转变曲线(Time Temperature Transformation，简称 TTT 曲线)和连续冷却转变曲线(Continual Cooling Transformation，简称 CCT曲线)。Davenport 和 Bain 于 1930 年在等温条件下研究钢冷却时的组织转变，提出了 TTT 曲线。TTT 曲线在温度-时间坐标上标出不同温度等温保持过程中各种转变开始、终了的时间及转变量。各种组织的开始、终了点的连线构成钢的等温转变曲线。从曲线可以看到：（1）钢从奥氏体化温度冷却到不同温度等温所能形成的转变物(铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体)；（2）各种转变产物的形成温度区间—开始与终了温度（一般指 1％和 99％转变量温度）；（3）不同温度下等温，转变开始与终了时的转变量。上世纪 40 年代初，Grange 和 Kiefer 直接在连续冷却条件下研究钢的转变过程，提出了 CCT 曲线。CCT 曲线由一组不同等速的冷却曲线组成，在温度-时间坐标上标出各种冷却过程中各种组织转变开始、终了的温度及转变量。各种组织的开始、终了的连线构成了一个完整的连续冷却转变曲线，从曲线上可以看到：（1）钢从奥氏体化温度以不同冷速冷却所得到的转变产物（铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）；（2）形成各种产物的临界冷速；（3）不同冷速冷却条件下，各种组织转变开始与终了的时间、温度及转变量。
第3章 3Cr_2Mo 钢中不同微观组织.................... 41-50
3.1 引言.................... 41
3.2 试验方法及过程 ....................41-43
3.3 高温夹式引伸计与应力.................... 43-44
3.4 不同组织的单向拉伸曲线.................... 44-47
3.5 不同组织的弹性模量E 、屈服强度....................47-50
第4章 应力与组织转变相互关系的实验研究.................... 50-77
4.1 引言.................... 50
4.2 表征相变塑性和应力....................50-51
4.3 实验方法及过程 ....................51-53
4.4 马氏体相变塑性和应力.................... 53-60
4.4.1 马氏体相变膨胀曲线 ....................53-54
4.4.2 实验数据分析及结果.................... 54-60
4.5 贝氏体相变塑性和应力对贝氏.................... 60-69
4.6 珠光体相变塑性和应力对珠光体....................响 69-74
4.7 实测膨胀曲线与参数化相变模型....................较 74-77
4.7.1 马氏体相变 ....................74
4.7.2 贝氏体相变和珠光体相变.................... 74-77
结论
1.采用膨胀法测定了 3Cr2Mo 钢的 CCT 曲线。该钢获得马氏体的临界冷却速率为 5℃/s，Ms 和 Mf点分别为 430℃和 215℃。在冷却速度足够大，没有预先形成珠光体和贝氏体的情况下，sM 点与冷却速度无关，但在冷却速度小于 5℃/s时，马氏体相变之前所发生的相变使sM 点降低。
2. 采用膨胀法测定了 3Cr2Mo 钢的 TTT 曲线。针对贝氏体转变不完全性、冷速对 TTT 曲线的影响等问题，本文提出了详细分析和修正方法，获得了较为精确的 TTT 曲线，可应用于计算机模拟。从 TTT 曲线图可发现，该钢极易获得贝氏体组织，但贝氏体转变都不完全。在不同等温温度下，贝氏体最大转变量都不同，425℃等温时，贝氏体最大转变量 0.837Bx = ；450℃等温时， 0.737Bx = ；475℃等温时， 0.308Bx = ；500℃等温时， 0.048Bx = 。
3.通过单轴拉伸试验获得 3Cr2Mo 钢不同相组织在不同温度下的应力-应变曲线，进一步获得了马氏体、珠光体、贝氏体、奥氏体和退火态原始组织的力学性能，包括：弹性模量E 、屈服强度sσ 、塑性模量'H 。不同相组织的力学性能不同，且都随温度变化而变化，是温度的函数。
参考文献
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