中碳钢在工程中通常采用淬火和回火工艺以获得良好的强塑性和韧性的综合力学性能。在淬火过程中,淬火应力是引起工件变形和开裂的主要因素。因此,对淬火应力的系统研究有助于对淬火工艺的制定。淬火应力的实验测定是研究淬火的最基本方法,但实验测定不仅耗时,且测定的只是淬火过程结束后的最终残余应力,而导致淬火开裂的瞬时应力无法测定。因此,采用有限元方法模拟淬火过程的温度场、组织场和应力场的方法得到迅速发展,并提出各种理论模型与实验结果比较来检验正确与否。在有限元模拟中,相变塑性是一个对淬火应力模拟结果具有重要影响的因素。Taleb测定了贝氏体的相变塑性动力学,并指出了分别由Abrassart、Desalos和Leblond提出的几种理论模型均低估了相变塑性动力学,但这几种理论模型对淬火应力影响的比较尚未作出。基于工件尺寸及钢的淬透性,工件淬火后的组织通常分为珠光体+铁素体,贝氏体和马氏体三大类组织,系统研究这三类淬火组织工件的淬火应力对工程中不同淬透性工件的淬火工艺设计具有重要的意义。对于这三类组织的淬火应力有限元模拟中是否要考虑相变塑性存在不同的实验结果和观点。中碳钢在工程淬火中大多采用油或聚合物淬火介质,其目的是为了在保证工件不开裂的前提下获得所需性能。油或聚合物淬火介质不仅污染环境,而且常常不能满足力学性能的要求,以清洁廉价的水取代油和聚合物介质淬火已被国际列入21世纪热处理行动计划。我们课题组研究和推广的水-空交替淬火控时冷却技术(ATQ)的工艺与装备已持续15年成功应用于我国几十家特殊钢厂,但对于为什么ATQ工艺不仅可以获得所需性能且不易开裂,而在通常用全水淬淬火(DQ)极其容易引起工件开裂,这个问题始终未从理论上给出答案。因此,本工作通过温度/组织/应力场的实验测定并结合有限元模拟,在模拟中通过修改商业有限元软件Abaqus子程序UMAT和UMATHT实现了淬火过程中温度、组织和应力场之间的耦合关系,由此聚焦以下3个问题的研究:1)能否提出比现有模型更好地描述相变塑性动力学方程,并被实验所检验;2)从实验和理论上证明:在不同淬透性导致的何种组织状态下需要考虑相变塑性,对现有不同观点给出明确的结论;3)结合实际工件开裂的现象,从实验和理论上论证为什么ATQ比DQ不易引起开裂。本研究得到以下主要研究结果。1.通过试验和理论确定了有限元模拟参数精度提高的方法:a)采用尝试-校核的方法,对50mm和60mm直径的42CrMo圆柱件淬火冷却曲线进行拟合,获得水的换热系数;b)在计算扩散型相变时,考虑到手册和所研究钢种成分差异,根据前人研究结果对手册中的TTT曲线进行了修正;c)采用X射线衍射方法与剥层法测定样品淬火后的残余应力,并通过公式对剥层后的应力进行修正;d)采用我们提出的指数修正(Ex-Modified)相变塑性归一化函数替代上述的几种函数描述相变塑性动力学,为更好地预测淬火应力奠定了基础。采用上述统一实验和理论方法保证了对三种不同淬透性钢的淬火应力分布的测定和理论预测的精确性和可比性。2.首先比较了基于Abrassart、Desalos、Leblond和本论文提出的Ex-Modified相变塑性归一化函数计算得到的残余应力分布与实测分布。结果表明,基于本论文中提出的Ex-Modified函数所计算的结果与实测结果最为接近,证明了该模型对相变塑性动力学描述具有更高的精度。然后分别对30mm和50mm直径的42CrMo圆柱件淬火残余应力分布进行了XRD实验测量,结果表明了工件直径对残余应力分布的影响较大。对于全淬透的30mm直径试样(马氏体基体),其最大拉应力位于工件的次表层,而未淬透的50mm直径试样(贝氏体基体)的最大拉应力位于其心部位置附近。3.为了凸显组织应力对残余应力的影响,对三种相同直径(60mm)、不同淬透性钢种(45钢、42CrMo和40CrNiMo)的圆柱件分别进行相同的水淬工艺,以期保证它们具有几乎相同的热应力。对于45钢圆柱件,水淬后圆柱件除表面组织为马氏体和贝氏体,其余部分为先共析铁素体和珠光体,表明其淬透性较低;对于42CrMo圆柱件,水淬后心部主要组织为贝氏体,表面为马氏体,表明淬透性较高;对于40CrNiMo圆柱件,水淬后心部组织为92%马氏体+8%贝氏体,表明其具有最高的淬透性。对于45钢和42CrMo两种钢种的圆柱件,其最大拉应力位于工件心部位置附近,最大压应力位于工件的表面,且45钢圆柱件的最大拉应力和最大压应力均高于42CrMo圆柱件;对于40CrNiMo圆柱件,最大拉应力位于工件的次表层,心部和表层均为压应力。通过分别对淬火过程中热应力和组织应力分布的计算表明,三种钢种圆柱件的热应力分布基本相同,证明了设计思想的正确性,同时证明了其不同残余应力分布起因于它们的不同组织,即组织应力决定了它们最终淬火应力的分布特征。进一步的研究表明:工件的淬透层越深,相变塑性对残余应力的影响越明显,即对于45钢圆柱件,模拟计算表明相变塑性对淬火残余应力分布的影响较小;对于42CrMo圆柱件,考虑与不考虑相变塑性模拟得到的应力分布虽然趋势相同,但数值存在较大的差异;但对于全淬透的40CrNiMo圆柱件,不考虑相变塑性计算得到的结果与实测结果偏离最大,甚至出现实验和预测的应力符号相反的情况。因此,对于淬火后基体组织为珠光体和铁素体的淬火件,在有限元应力计算中可以不考虑相变塑性,但对于贝氏体为基体组织的淬火件,尤其是淬火后以马氏体组织为主的全淬透工件的淬火应力有限元模拟必须考虑相变塑性对残余应力的影响。4.以工程中42CrMo驱动轴开裂现象为研究背景,比较了60mm直径的42CrMo圆柱件分别经ATQ和DQ处理后的残余应力分布的实测结果,并对ATQ1(预冷(150s)+浸液(100s)+空冷(60s)+浸液(30s))、ATQ2(预冷(240s)+浸液(60s)+空冷(100s)+浸液(30s)+空冷(120s)+浸液(30s))和DQ三种工艺对驱动轴淬火应力的影响进行了有限元模拟,揭示了ATQ工艺避免了由传统DQ工艺引起开裂的原因:a)ATQ工艺处理的工件,由于表面温度的回升,引起表面马氏体的自回火,使得表面硬度显著低于DQ处理后的工件;b)相对于DQ,ATQ降低了工件残余应力的幅值,即工件的最大拉应力和最高压应力值均有所降低,而且工件整体的应力分布较为均匀;c)驱动轴边角开裂的主导应力是边角径向拉应力(最大主应力方向与径向应力方向一致),而不是轴向应力和切向应力;导致较大径向拉应力的DQ和ATQ1工艺仍可能使工件开裂。优化的ATQ工艺显著降低了工件的边角径向残余拉应力,其是由组织应力引起的,从而有效避免了工件的开裂现象。