使用 COMSOL 模拟钢齿轮的渗碳淬火

钢，是一种铁基合金，具有高强度和低成本的特性，广泛应用于各种领域。从汽车、建筑物、风力涡轮机和基础设施到机械设备、家用电器和刀具，都有钢铁合金的应用。大多数钢铁产品在制造过程中都会经过一些热处理，其中一种处理过程是淬火。使用 COMSOL Multiphysics® 软件，可以模拟制造过程中的淬火过程。下面，我们介绍一个使用 COMSOL Multiphysics® 软件模拟钢齿轮的渗碳淬火过程的仿真案例。

渗碳淬火过程

齿轮是一种基本的工业零部件，并且是许多日常用品（例如汽车变速箱和洗衣机）的重要组件。它可以将速度换成扭矩（反之亦然）。通常，具有运转功能的机械设备中，都可能包含齿轮组件。

动力传动系统中的直齿轮。图片由 GérardDelafond 提供。通过 Wikimedia Commons在CC BY-SA 3.0 下获得许可。

对动力传递齿轮进行硬化处理，可以提高它的疲劳耐久性和耐磨性。硬化处理可以采用不同的淬火工艺，包括渗碳、渗氮和感应淬火。以本文讨论的案例教程模型为例，我们通过仿真来了解经过油淬后的渗碳工艺如何影响钢齿轮中的残余应力。

直齿轮的渗碳淬火建模

本案例使用的是经典的直齿轮几何形状。2D 结构的钢直齿轮有 20 个齿，直径为 200 毫米。

建模过程中，材料属性选择普通钢。通过金属加工模块中的奥氏体分解 接口将各冶金相与温度相关的热以及机械材料性能平均化为有效的材料性能。

渗碳过程需要将加热的齿轮组件放置在富含碳的环境中。将碳扩散到组件的表面，可以增加组件的硬度和耐磨性。在软件中，我们使用了瞬态菲克定律（扩散）（Fick’s law）来模拟简单的渗碳过程。下图显示了经渗碳处理后齿轮组件的碳浓度。可以看出，齿轮表面附近的碳浓度比齿轮内部高。

经渗碳处理后齿轮中的碳浓度。

在淬火过程中，碳浓度的变化会改变相变特性。在此案例模型中，我们仅考虑了马氏体相变。随着碳浓度的增加，在较低的温度下出现马氏体相变。使用与碳浓度相关的马氏体起始温度M_s进行建模。一旦齿轮开始渗碳后，将对其进行油淬。齿轮被快速浸入淬火油中并且固定。在短暂的冷却过程中，齿轮会发生变形并产生应力。

请注意，本教程中没有对淬火油进行明确的建模，而是使用了对流边界条件对热交换进行建模，该对流边界条件具有与温度相关的传热系数。在本案例中，淬火油的温度为 80℃，尽管淬火过程与时间相关，但就结构力学而言，它是准静态的，所以可以这样建模。

查看仿真结果

使用 COMSOL 软件模拟钢齿轮的淬火过程，可以直观的观察到齿轮发生了变形并产生残余应力。在维修期间，在齿轮齿根部会产生弯曲疲劳。这些区域中的残余应力可以降低机械疲劳的风险。下图显示，齿轮根部附近的压应力是可压缩的（蓝色）。

由于残余应力取决于冷却过程，因此不同的冷却方案可能会导致截然不同的结果。

淬火后齿轮中的残余应力分布。

对渗碳淬火过程进行建模和仿真，可以帮助制造商减少试验次数。通过仿真，还可以更方便地在由不同合金制成的齿轮模型上尝试不同的淬火方法。通过查看残余应力的仿真视图，可以更深入地了解不同处理过程对最终结果的影响。

下一步

如果想尝试自己动手模拟渗碳淬火过程，请单击下面的按钮进入 COMSOL “案例下载”页面。在页面中，您可以下载教程文档和 MPH 文件。您需要 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证才能下载 MPH 文件。

了解本文中使用的金属处理模块的更多信息，请访问：金属处理模块简介。