工程论文哪里有？本研究通过实验与数值模拟相结合，系统阐明了变形比与组织演变的内在关联，揭示了组织与力学性能间的强韧化机理，并对余热淬火与传统工艺的能耗和成本进行了量化对比。结果证实，余热淬火工艺在节能降耗方面均具备显著优势。
第1章 绪论
1.2 锻造工艺、组织演变及性能研究
锻造工艺是金属成形的重要方式之一，广泛应用于航空、汽车和军事领域。通过在高温条件下将金属坯料在模具中塑形，锻造工艺具备较高的生产效率和良好的材料性能。传统快速淬火因表层与芯部冷却速率差异大，易在曲轴产生残余应力与裂纹等缺陷，研究者正通过多场耦合模拟与相变动力学揭示其机理[2]。利用锻造余热实施淬火可在降低温度梯度的同时获得更均匀组织与更优强韧匹配，工业验证表明其对提升疲劳寿命和节能降耗效果显著[3]。
（1）高负荷零部件的锻造工艺研究现状
近年来，学界针对多种材料在锻造过程中的工艺参数优化与显微组织控制展开了广泛而深入的研究。
以齿轮锻造为例，如图1-1所示，采用有限元模拟与响应面法相结合，不仅实现了锻造参数的优化，还显著提升了齿轮的微观组织与综合性能[4]。针对镁合金（AZ31B、AZ61A、AZ80A）的锻造成形，通过研究温度补偿和摩擦对流动行为及成形性的影响，进一步提高了零件的成形精度[5]。在微合金化中碳钢的半轴生产中，基于连续冷却转变（CCT）及正交试验对锻造工艺进行优化，可有效控制贝氏体与马氏体组织的形成[6]；而对40Cr/Q345B双金属坯料，则采用加工图方法来确定最佳锻造温度与应变速率，从而在热变形过程中获得良好的协调性[7]。此外，针对体积庞大、结构复杂的球磨机衬板与航空螺栓等典型零件，通过数值模拟与实验相结合，对锻造温度、压机速度及摩擦系数等工艺参数进行精准调控，大幅提升了锻件的力学性能与组织均匀性[8-10]。
随着研究不断深入，数值模拟与本构模型在高温塑性变形与组织演变预测中发挥着越来越关键的作用。一方面，通过改进 Johnson-Cook 模型，可较为准确地预测多种合金在高温及动态载荷下的流动行为，为锻造工艺设计与性能控制提供了可靠的理论支撑[11]。另一方面，针对34CrNiMo6合金钢的热变形与晶粒细化过程，研究者建立了考虑再结晶因素的统一黏塑性本构模型，并将其嵌入有限元软件以模拟灵活斜轧(FSR)空心轴的显微组织演变，从而显著提升了零件的服役性能[12]。此外，在辐射剪切轧制(RSR)生物医用Co-Cr-Mo合金时，通过对温度场的有限元分析，研究者明确了工件加热温度与轧制速度对组织形成的影响，为该合金的工艺模式开发与质量控制提供了重要指导[13]。
第3章 曲轴锻造工艺优化与余热淬火仿真分析
3.1 现行工艺与典型缺陷分析
为评估曲轴锻造工艺的潜在问题，本节先对生产现场所采用的典型工艺路线进行梳理，在此基础上分别从锻造温度、变形比等关键参数入手，阐述其对组织性能与成形质量的影响，最后结合实际锻件的观测结果，对常见缺陷进行归纳分析。
3.1.1 曲轴锻造工艺流程
如图3-1所示，本研究在曲轴锻造工艺的预变形阶段采用楔横轧工艺。
圆柱毛坯被置于两支楔形轧辊之间，轧辊反向旋转，楔面对毛坯产生径向压缩并使轴向延伸，金属沿楔面横向流动，截面逐步由圆柱过渡为筒-锥形。随着轧制持续进行，胚料不断被拉长并形成细长的轴部与肩部过渡段，使粗坯截面尺寸趋于目标要求，为模锻提供几何均匀、组织一致的坯料。
第4章 曲轴锻造与热处理工艺实验
4.1 曲柄毛坯热处理与锻造工艺的显微组织演变
由于现场取样与设备条件受限，常规金相依然是获取相对可比组织信息、与力学性能建立对应关系的最简便、经济手段。本研究在截样后采用了自然空冷1h后才进行磨抛，对最终显微组织判读影响不同。对于加热、预变形、初锻和终锻工艺，金相实验只能间接评估前奥氏体晶粒度及变形细化趋势。对于余热淬火和回火工艺，观察对象本身是在室温下稳定的组织。马氏体及弥散碳化物低于相变温度都不会再发生相变。由于奥氏体晶粒也只在高温下迁移，所以常规金相20℃的一小时空冷不足以改变热处理组织的形貌与分布，只会影响模锻显微组织观察。
加热阶段（1160-1180 ℃）取样后自然空冷1h会使单相奥氏体在降温过程中全部转变为铁素体-珠光体，原始粗大奥氏体晶粒被彻底分解，因此金相切片不能直接代表加热态组织。
预变形阶段（1050 ℃）同样因缓冷导致变形奥氏体和再结晶核全部分解为铁素体-珠光体，只能测前奥氏体晶粒度，金相切片仍不能直观反映原位组织。
初锻阶段（950 ℃）的动态再结晶奥氏体在空冷中亦转变为α+P，细小再结晶晶粒完全消失，金相切片只能间接推测 DRX 区域。
终锻阶段（930 ℃）细化奥氏体经长时间空冷同样退化为室温组织，细晶特征被掩盖，常规金相无法保真显示终锻原位结构。
4.2 不同位置处的组织对比
如图4-4所示，选取终锻后曲轴主轴颈中部区域，分别在横断面（H）与纵断面（Z）位置取样并制备金相试样。两幅50 μm标尺下的显微组织均呈现出细小、等轴分布的铁素体—珠光体混合组织，平均晶粒尺寸约为50 μm，未见明显织构或方向性差异。尽管组织已在空冷过程中完成了从高温奥氏体向稳定双相结构的转变，但条片形貌、晶粒等轴性及珠光体分布状态仍保留了锻造过程中的塑性变形痕迹与再结晶演化趋势。
第5章 总结与展望
5.2 展望
目前，针对锻后快速冷却与相变过程的数值模拟，多仍基于Johnson-Cook等通用本构模型，难以对微观相变及组织细节进行高精度预测。后续可在热-力-相变多场耦合理论的基础上，开发更精准的材料本构方程与相变动力学模型，并结合定量金相与原位测试手段，进一步提升对40Cr钢在余热淬火过程中的微观组织演变预测能力。
余热淬火虽可有效降低额外加热能耗，但在实际生产中仍面临温度场不均、传输速度与冷却速率难以精确匹配等难题，从而易产生局部过烧或冷速不均。通过将大数据与人工智能算法应用于关键参数，如锻造温度、锻后保温时长、冷却介质、回火温度及时间等的多目标迭代优化，并与车间自动化监测手段相结合，可望在规模化、智能化生产中进一步提升工艺稳定性与产品一致性。
除40Cr钢外，其他合金钢和高强度合金在复杂截面或超大型锻件制造中同样具备推广余热淬火的潜力，不仅可缩短工艺流程，还能显著提升材料的综合性能。未来可针对不同合金元素含量或初始组织状态进行对比研究，探究余热淬火效果的影响机制，为多种材料及结构件的高性能制备提供更广泛的技术储备。
此外，对于余热淬火对材料疲劳寿命、应力腐蚀与抗冲击性能的影响，尚需更系统的理论与实验研究。可结合疲劳断口形貌观察与在役工况模拟，从服役安全性与可靠性评估的角度，对余热淬火曲轴及其他关键零部件进行更全面的试验与验证，为后续的实际应用提供科学依据。
参考文献（略）
