基于ABAQUS的锻造零件加工工艺分析与研究(2)
1.1 热处理简介
1.1.1 淬火
淬火冷却过程是热处理工艺中的重要环节。钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，使其部分或全部奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺也被称为淬火。
在淬火冷却过程中，零件外部冷却比内部快，会导致组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力，这些应力会影响零件的使用寿命和组织性能。如果淬火不当，将会造成零件组织性能达不到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂而失效。大量的生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，也是热处理质量控制中难以掌握的环节。确定淬火冷却过程零件材料内部的温度随时间的分布规律可以帮助优化热处理工艺，提高零件性能并且延长使用寿命。
1.1.2 回火
回火是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后，在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的的合金工件加热到适当温度，经过若干时间的保温，然后缓慢或快速冷却。回火的作用一般为减小或消除淬火过程产生的内应力，或者降低材料的硬度和强度，以提高延性或韧性。
1.2 有限元介绍
有限元的思想为将一个整体划分为有限个单元，单元之间由简单的方程联系起来，并用其去估计整体上的复杂方程。它将求解域看成是由许多被称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解是不准确的，但是当单元足够小时，可以近似地认为求得的解是合理的。鉴于大部分的实际问题难以得到准确解，而有限元计算精度高，具有很高的灵活性，能适应各种形状复杂的结构，有限元分析成为解决工程问题的行之有效的方法。
在求解不同物理性质和数学模型的问题时，有限元求解的基本步骤是一致的，不同的是公式的推导和运算求解。基本步骤[4]为①定义求解域，②求解域离散化，③确定状态变量及控制方法，④单元推导，⑤总装求解，⑥联立方程组求解。
1.3 ABAQUS软件介绍
ABAQUS 是一款功能强大的工程模拟的有限元软件，能够解决相对简单的线性分析和复杂的非线性问题。 ABAQUS 拥有一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并且包含了各种类型的材料模型库，能够模拟出典型工程材料的性能。相比较于ANSYS软件，ABAQUS致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能得到了设计和研究的高端用户群的广泛认可。
ABAQUS可以求解以下类型的传热问题[5]：
（1）非耦合传热分析 在此类分析中，模型的温度场不受应力应变场或电场的影响，在ABAQUS/standard中可以分析热传导、强制对流、边界辐射等传热问题，其分析类型可以是瞬态或稳态、线性或非线性。
（2）顺序耦合热应力分析 此类分析中应力场的应变场取决于温度场，但温度场不受应变的影响。
（3）完全耦合热应力分析 此类分析中的应力应变场和温度场之间有着强烈的相互作用，需要同时求解。
（4）绝热分析在此类分析中，力学变形产生热，而且整个过程的时间极短，不会发生热扩散。
（5）此外，还有热电耦合分析和空腔辐射。
本文采用研究的热处理分析属于顺序耦合热应力分析，由温度场求解出应力应变场，得到淬火和回火后工件表面的应力情况。