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2023年 第3期 热加工92热 处 理Heat Treatment基于有限元数据分析10级螺母使用35钢与40Cr钢性能对比杨仕杰湖北江华机械有限公司 湖北襄阳 441000摘要：通过对螺母零件等级10级、规格M10的细牙螺纹，将使用材料35钢和40Cr钢的螺母采用NX NASTRAN和Jmatpro进行软件模拟、标准查询，采用维氏硬度计及金相显微镜对实物对比试验进行检测分析。结果表明：35钢和40Cr钢螺母均可满足10级螺母的性能要求。但若从生产效率、使用时效和成本控制的角度看，10级螺母更推荐35钢作为使用材料。关键词：有限元分析；10级螺母；材料对比；金相检测1 序言随着信息技术的发展，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。在产品设计阶段发现潜在问题，经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本，模拟试验方案，减少试验次数1。在三维基础上进行的 CAE 分析，利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的“虚拟样机”的作用，在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证试验”，极大地缩短了设计周期，降低了生产成本2。以1961年MIT实验室的SUTHERLAND发表的一篇关于人机交互的图形系统博士论文为起点，CAD/CAM 技术经过半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了较大的进步。杨松宇等3建立螺栓法兰垫片整体的有限元模型，进行了DN500螺栓法兰连接系统的紧固试验，验证了有限元模型的合理性。陈卫林等4针对现有螺母喷丸工艺中的单层弹丸或多层规则弹丸模型的不足，在ABAQUS有限元分析软件中建立了多层随机弹丸分布模型，使用该模型研究了弹丸层数、喷丸角度和喷丸速度对螺母表面残余应力的影响，并通过喷丸试验对多层随机弹丸模型进行验证。本文通过使用Jmatpro和NX NASTRAN分析软件对10级螺母使用材料35钢和40Cr钢进行分析比对，查询标准，并对分析结果进行说明。对实物螺母使用维氏硬度计和金相显微镜对硬度和金相进行检测，将结果进行对比讨论。2 材料成分分析35钢和40Cr钢螺母材料化学成分与力学性能分别见表1、表2。表135钢与40Cr钢化学成分5，6（质量分数）（%）元素CSiMnCrSP35钢0.320.390.170.370.500.800.25 0.035 0.03540Cr钢0.370.440.170.370.500.800.801.100.035 0.035表235钢与40Cr钢力学性能5，6项目抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率（%）35钢5303152040Cr钢9807859由化学成分可知，35钢与40Cr钢相比，各元素成分相当，35钢C含量略低、Cr含量低于40Cr。C元素在材料组织内部主要以形成碳化物为主，可以提高材料的强度和硬度；Cr元素能显著提高钢的抗氧化性能，提高钢的淬透性，增加钢的抗腐蚀能力，2023年 第3期 热加工93热 处 理Heat Treatment并提高钢的强度和耐磨性，因此40Cr钢力学性能均优于35钢。但35钢作为优质碳素结构钢的一种，其具有良好的塑性和适当的强度，是螺栓联接中常用的材料；40Cr钢虽然在力学性能上优于35钢，但由于C含量的增加，其塑性韧性降低，不利于抵抗螺栓使用过程中造成的由振动引起的塑性变形7；另外，Cr元素资源较少，面对螺母的生产势必会造成成本的上升，经济性低于35钢。3 螺母等级标准描述按照GB/T 3098.22015紧固件机械性能螺母规定，10级M10细牙螺纹螺母材料与螺母热处理为碳素钢淬火与回火8，化学成分极限要求见表3，且在10级螺母注释当中所描述“为满足力学性能要求，可能需要添加合金元素”。由此可知，螺母材料35钢和40Cr钢化学成分均能满足标准要求，且对40Cr钢中合金元素的使用并非必要条件。表3螺母化学成分（质量分数）极限要求8 （%）元素CMnP S极限值0.580.300.0480.0584 材料性能模拟分析使用NX NASTARN软件对螺母使用条件进行仿真模拟分析，并使用Jmatpro软件对螺母热处理后的硬度和金相进行计算分析9。4.1 应力应变分析为分析讨论螺母材料35钢和40Cr钢性能，采用有限元分析软件NX NASTRAN分析螺母在装配过程中所受扭矩载荷下所产生的应力应变。现将分析数据说明如下。（1）材料模拟性能分析 材料性能参数见表4。表435钢与40Cr钢材料性能参数材料密度/（kg/dm3）杨氏模量/MPa泊松比强度系数/MPa比热/J/（kgK）35钢7.82920694000.2855043400040Cr钢7.8520600000.3686.7662434000（2）边界条件加载分析 根据螺母使用条件，螺母主要受一竖直方向60Nm扭矩力和平面支撑力，其边界条件及载荷加载如图1所示，网格划分如图2所示。（3）有限元分析结果 经计算有限元分析，结果如图3图8所示。有限元分析结果对比见表5。图1螺母载荷加载示意 图2螺母网格划分示意 图535钢应力结果图335钢疲劳结果图640Cr钢疲劳结果图435钢应变结果2023年 第3期 热加工94热 处 理Heat Treatment表5有限元分析结果对比材料应力/MPa应变/m疲劳系数MaxMinMaxMinMaxMin35钢5.0730.1780.0477260775662618.19140Cr钢5.0370.1770.0480280662472232.713由上述分析结果可知，螺母在经过60Nm扭矩载荷之下，35钢和40Cr钢之间应力应变结果相似且无明显区别，但由于35钢塑性优于40Cr钢，因此35钢疲劳系数相比40Cr钢数值更高，故由有限元分析数据可知，35钢和40Cr钢均可满足使用要求，但35钢相比40Cr钢在韧性上更有优势，更能满足在使用过程中的冲击性能要求，可提高产品的使用寿命。4.2 材料热处理性能分析采用材料性能分析软件Jmatpro分析35钢和40Cr钢热处理加热、冷却时晶粒大小与冷却组织，对结果说明如下。1）35钢计算结果如图9图12所示。2）40Cr钢计算结果如图13图16所示。计算结果表明，35钢和40Cr钢经热处理后，晶粒大小为11m，35钢和40Cr钢冷却组织均为马氏体，但由奥氏体连续冷却组织转变图可知，40Cr钢中受Cr元素的影响，奥氏体连续冷却组织转变图曲线向右移，淬透性优于35钢，故35钢的冷却组织较40Cr钢冷却组织会有部分铁素体和贝氏体的混合图740Cr钢应变结果图840Cr钢应力结果图935钢再奥氏体化晶粒大小图1035钢淬火回火组织相图1340Cr钢再奥氏体化晶粒大小图1135钢淬火回火硬度图1235钢奥氏体连续冷却组织转变图2023年 第3期 热加工95热 处 理Heat Treatment物。但根据硬度曲线可知，可以通过控制热处理参数来达到所要求的硬度要求。5 实际检测结果综上所述，为进一步验证35钢与40Cr钢作为螺母材料使用性能上的差异，对螺母产品进行心部硬度和金相组织试验验证，结果表明，35钢螺母与40Cr钢螺母硬度和金相组织结果相似，均满足需求。（1）硬度检测对比 按照GB/T 3098.22015规定，使用维氏硬度计检测螺母心部和螺牙硬度，根据10级螺母标准要求，其硬度为295353HV8，检测结果见表6。表6螺母与螺牙硬度对比 （HV）材料螺母硬度螺牙硬度40Cr钢30831331029730631135钢324327326301304302 由硬度检测结果可知，35钢和40Cr钢螺母均可满足标准10级技术要求。（2）金相检测对比 35钢金相检测结果如图17所示，40Cr钢金相检测结果如图18所示。图1440Cr钢淬火回火组织相b）500图1735钢螺母金相a）100b）500图1840Cr钢螺母金相a）100图1540Cr钢淬火回火硬度图1640Cr钢奥氏体连续冷却组织转变图由图17、图18可知，35钢和40Cr钢螺母金相组织均为均匀分布的回火索氏体，热处理方式为淬火、回火，螺牙边缘无明显贫碳缺陷，两者均满足实际使用要求。6 结束语1）35钢和40Cr钢螺母均可满足10级技术需求，但相比40Cr钢，35钢成本更低，有利于大批量生产。2）经过有限元分析，35钢和40Cr钢螺母应力应变相当，使用结果无差别。但35钢相比40Cr钢耐2023年 第3期 热加工96热 处 理Heat Treatment疲劳性能更占优势，有利于提高螺母使用过程中的抗冲击性能，进而可提高其使用寿命。3）经实物检测分析，35钢和40Cr钢螺母硬度、金相检测结果相近，均满足10级螺母使用要求。参考文献：1 刘英魁有限元分析的发展趋势J中国新技术新产品，2009（6）：157.2 王玥，刘兴涛CAE技术应用的现状与发展趋势：“第二届中国CAE工程分析技术年会”论文集C 北京：中国机械工程学会机械工业自动化分会，2006.3 杨松宇，多依丽，孙铁，等螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析J辽宁石油化工大学学报，2022，42（3）：62-67.4 陈卫林，詹玉婷，靳凯，等基于有限元仿真的螺记录仪常见问题与发展趋势江智轩，丁章升，方兴，熊站英昌河飞机工业（集团）有限责任公司 江西景德镇 333002摘要：每台热处理设备均要配置1台或多台记录仪用于记录加工过程数据，目前记录仪主要分为有纸记录仪与无纸记录仪两大类。主要阐述有纸记录仪在使用过程存在的问题、常见维护方法，以及无纸记录仪的应用情况。关键词：有纸记录仪；无纸记录仪；维护方法1 序言记录仪主要用于特种设备在加工过程中的数据（温度、真空、压力等）记录，是热处理设备的重要组成部件之一。目前，市面常见的记录仪品牌有霍尼韦尔、大华千野、横河及欧陆等。而记录仪根据其记录模式不同主要可分为有纸记录仪和无纸记录仪两大类。我公司当前大部分热处理设备还在使用有纸打印温度记录仪，主流型号为霍尼韦尔DPR250系列（见图1）、大华千野AH4000系列（见图2），少数设备配备了霍尼韦尔、欧陆品牌的无纸记录仪。母表面残余应力分析J塑性工程学报，2020，27（10）：165-171.5 全国钢标准化技术委员会优质碳素结构钢：GB/T 6992015S北京：中国标准出版社，2016.6 全国钢标准化技术委员会合金结构钢：GB/T 30772015S北京：中国标准出版社，2016.7 贾耀卿常用金属材料手册（上）M北京：中国标准出版社，2000.8 全国紧固件标准化技术委员会紧固件机械性能 螺母：GB/T 3098.22015S北京：中国标准出版社，2016.9 吕志军，李刚CAD/CAM技术研究现状及发展趋势J减速顶与调速技术，2002（2）：3-7.202301032 有纸记录仪存在的问题及常见维护办法以霍尼韦尔DPR250有纸记录仪为例，该有纸记录仪打印功能主要由控制板、电动机、齿轮、皮带、打印头及色带等部件组合实现，在使用过程中存在以下缺点。1）机械传动部件过多，记录仪在长期使用后各传动部件必然会出现不同程度的磨损或损坏，造成打印故障，如不打印、打印不准确、打坏记录纸等现象1。而该型号有纸记录仪停产多年，备件采购及其困难，修理难度大。2）打印纸容易受空气温度、湿度影响而变形拉