等温淬火球铁热处理工艺参数的优化方法

第32卷第1期2011年1月

兵工学报Vol．32No．1Jan．

2011

ACTAARMAMENTARII

等温淬火球铁热处理工艺参数的优化方法

王洪，郭旭红，王伟

(苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021)

摘要:等温淬火球铁(ADI)作为性能可设计材料，其热处理工艺参数的优化设计是开发性能优良的ADI材料的关键。在不改变热处理生产条件的基础上，采用不同的等温淬火温度和时间，分别制作出不同力学性能检测数据的各种试样，并将实验数据用于建立热处理工艺参数与力学性能的模糊减法聚类函数模型。以抗拉强度、冲击韧度、硬度等力学性能为用户需求目标，等温淬火温度和时间为可设计变量，采用NSGAⅡ遗传算法作为优化算法进行优化计算。结果表明:用这种ASTM4级力学性能要求的热处理参数，方法设计满足ASTM3，可以得到最佳的等温淬火预测温度136min和312℃，132min．和时间分别为333℃，

关键词:金属材料;等温淬火球铁;模糊减法聚类;热处理参数;优化中图分类号:TG164.2

文献标志码:A

1093(2011)01-0063-06文章编号:1000-

OptimizationMethodofHeatTreatmentParametersfor

AustemperedDuctileIron

WANGHong，GUOXu-hong，WANGWei

(SchoolofMechanicalandElectricEngineering，SoochowUniversity，Suzhou215021，Jiangsu，China)

Abstract:Austemperedductileiron(ADI)isaperformancedesignablematerial．Theoptimizationde-signofitsheattreatmentparametersisthekeytodevelopagoodperformanceADImaterial．Thefuzzysubtractiveclusteringfunctionmodelabouttheheattreatmentparameterandmechanicalpropertieswasbuiltusingexperimentdataonthebaseofnochangingtheproductionconditionsofheattreatment，vari-ousADIsampleswithtestdataofdifferentmechanicalpropertiesweremadeatthedifferentaustemperingtemperaturesandtime．Theheattreatmentparameterswerechosenbytakingtensilestrength，impacttoughnessandhardnessasobjectiveofcustomer＇sdemand，takingaustemperingtemperatureandtimeasdesignablevariables，andusingtheNSAGⅡgeneticalgorithmasoptimizationalgorithm．TheresultsshowthatthismethodcansatisfytheparametersofheattreatmentrequiredbymechanicalpropertiesASTMgrade3and4，andcangetthebestpredictionaustemperingtemperatureandtime，whicharerespectively333℃，136minand312℃，132min．

Keywords:metallicmaterial;austemperedductileiron;fuzzysubtractiveclustering;heattreatmentparameters;optimization

收稿日期:2010－07－04

mail:wjj_jx@163．com;作者简介:王洪(1967—)，男，硕士研究生。E-郭旭红(1963—)，男，教授，硕士生导师

兵

引言

工学报

第32卷

等温淬火球墨铸铁是将球墨铸铁进行奥氏体回火热处理后形成铁素体和高碳奥氏体组成的奥贝球铁。它具有成本低、密度小、抗磨擦磨损性能好、综合性能优良等特点

［1］

。随着现代科学技术的发展，

对机械零件的性能和可靠性的要求越来越高，等温淬火作为改变和提高等温淬火球铁(ADI)材料性能的重要手段在制造业领域被广泛地应用。

为了达到用户要求的淬火结果，选择合适的淬火工艺参数是非常重要的。但是，由于ADI的热处理温度和时间，与其力学性能之间的函数关系，几乎不可能用常规的解析函数来描述，这就为热处理参数的选择带来了很大的困难，是阻碍等温淬火球墨在国内，试错铸铁应用范围的重要因素之一。目前，

法被广泛地用来选择淬火工艺参数，但是试错法要做大量的尝试试验，花费较高，另外试错法也无法保证为淬火零件找到最佳的淬火工艺参数。在国外，许多学者都是采用模糊聚类的方法建立热处理工艺

［2］参数与力学性能之间模糊预测模型。如Ana等

C3.350

Si2.780

Mn0.130

P0.054

S0.004

石墨2～3级

球径6～7级

1.2热处理工艺

ADI材料热处理分为2个阶段:奥氏体化温度

Tγ=900℃，时间为tγ=90min;等温淬火温度Tα=250℃，300℃，350℃，tα=60min，120min，180min;热处理工艺如图2所示

。

以奥氏体化温度和时间，等温淬火温度和时间，化学元素的组成为设计因素进行试验，运用模糊减法聚类算法，优化了热处理工艺参数和化学元素对ADI材料的零件尺寸变形的影响。Arafeh等

［3］

以等温淬

火温度和时间，为设计因素进行试验，用模糊减法聚类等四种模糊辨识方法建立了ADI热处理参数与冲击韧度的模糊预测模型。但以模糊预测模型为基础，对ADI热处理参数进行优化的文献鲜有报导

。

处理参数。

第1期等温淬火球铁热处理工艺参数的优化方法

法及其原理，将热处理第2阶段的等温淬火温度和等温淬火时间作为输入变量，冲击韧度、拉伸强度和硬度为结论变量，建立模糊推理系统。系统结构如图1所示。

表2

Tab．2

抗拉强度、硬度和冲击韧度实验值

Experimentaldatasoftheimpacttoughness，tensilestrengthandhardness

热处理参数/(℃，min)250，60250，120250，180300，60120300，300，180350，60350，120180350，

编号250－1250－2250－3300－1300－2300－3350－1350－2350－3

冲击韧度/(kg·m)3.605.502.024.635.212.6310.586.588.64

抗拉强度/MPa139214671419135314091272113912051133

硬度/HB518504513453439447380348360

在Matlab中，建立模糊减法聚类预测模型有以下3个步骤:

1)获取样本训练数据;

2)确定输入变量的隶属函数的类型和个数;3)由genfis2函数生成模糊减法聚类模型。输入变量采用模糊网格均分方法，等温淬火温度和等温淬火时间变量各有3条高斯型隶属度函数，如图3所示。

冲击韧度、拉伸强度和硬度的模型如图4～6所示。3.2

模型结果的讨论

由表2数据生成的模糊减法聚类模型是2输入3输出的模糊推理系统，热处理参数与力学性能的关系如图4～图6所示。从图中可以看出，随等温淬火温度的升高，在实验范围内，拉伸强度和硬度下降，而冲击韧度提高。由于在310℃左右等温淬火得到的是下贝氏体，而310℃以上得到的是上贝氏体。下贝氏体具有较高的强度和硬度，但冲击韧度值较低，上贝氏体则正好相反。在250℃等温淬火时，组织中出现少量的马氏体，使拉伸强度和硬度进一步提高，而冲击韧度下降。在350℃等温淬火得到由上贝氏体和大量残余奥氏体组成的奥贝组织，虽然强度和硬度偏低，但具有较高的冲击韧度

。

66

兵工学报

第32

卷

概率

200

1000

20

20

100

0.90

0.10

4.2热处理参数优化1)关联系数的计算

为了验证模糊减法聚类模型加遗传算法的可靠

4等级的经典力学性性，用美国ASTM标准中的3、能指标值作为实际值，采用4.1节遗传算法，可以在4减法聚类模型中优化计算出对应于ASTM标准3、级的模型预测值，并进行对比来检验预测值和实际值之间的关联程度，这也是检验模糊模型精度的常规方法

［4］

［4］

，关联系数计算公式为

第1期

等温淬火球铁热处理工艺参数的优化方法67

rxy=

1－

(yi∑i=1

－f(xi))

2

(yi∑i=1

－y)2，

(1)

式中:yi是第i个实际值;y是所有实际数据的平均值;f(xi)是模型的预测值。rxy为大于0，小于1的关联系数;rxy越接近1，模型精度越高。

ASTM4级中的冲击韧度、将表4中的ASTM3、

硬度、拉伸强度等经典值作为实际值，利用4.1节优化计算出来的预测值，如表5所示，代入公式(1)计算得到模型的关联系数为0.99．实际数据和模型预测数据的均方差为23.1273．

表4

Tab．4

等级ASTM1ASTM2ASTM3ASTM4

冲击韧度/(kg·m)10.208.166.123.57

ASTM等级表

ASTMgradetable

硬度/HB269～321302～363341～444388～477

抗拉强度/MPa850105012001400

表5

Tab．5

序号123456

ASTM4ASTM3等级

关联系数计算表

预测值f(xi)6.38367.40

实际值yi6.12341.001200.00

3.57388.001400.00

0.99

(1)ASTM3MSE

6.386.120.135.223.570.83

367.39341.0013.19436.35388.0024.17

1213.101200.00

6.551400.401400.00

0.20

312，132

)

333，136

关联度rxy

Correlationcoefficientcalculatetable

1213.10

5.22436.351400.40

这一结果表明基于模糊减法聚类的模型用遗传优化算法，运用到热处理参数建模和热处理参数优化是可行的，本次建模与ASTM标准的关联程度相当高，即模型与实际情况很吻合。

2)热处理参数的选择区域

由模糊减法模糊模型可以得到如图8所示的在热处理参数2维平面内力学性能等值线图。

4个阴影部分从图8中可以看出:从左起第3、

的区域为满足ASTM的3级标准(冲击韧度、抗拉强2度和硬度)

的热处理参数选择的区域;从左起第1、个阴影部分的区域为满足ASTM4级标准的热处理

(2)ASTM4MSE

利用模糊模型建模的方法依赖于实验数据的准确性，实验数据准确性越高，预测模型的可靠性越高。虽然用此方法获得的最佳参数与实际值会有误差，但却为热处理参数的优化选择提供了一种新方法。可以提供有相对准确精度的热处理参数选择的指导范围，并且可以通过不断地调整模型数据，提高模型精度，减少实验次数和费用。

68

兵

结论

通过实验和优化设计可以得出以下结论:

工学报

［M］．北京:化学工业出版社，2009．

第32卷

5

WANGChun-jing，ZHANGZhou，etal．Duc-DENGHong-yuan，tileironproductionanditsapplication［M］．Beijing:ChemicalIn-dustryPress，2009．(inChinese)

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［3］ArafehL，SinghH，PutatundaSK．Aneurofuzzylogicapproachto

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1)随等温淬火温度的升高，在实验范围内，拉伸强度和硬度下降，而冲击韧度提高;350℃等温淬火60min，能获得最佳的综合力学性能。

2)材质标准牌号为LZQT500－7的球墨铸铁，在250℃～350℃的等温淬火温度，及60～120min等ASTM2的热温淬火时间范围内，没有符合ASTM1、处理参数选择区域。

3)材质标准牌号为LZQT500－7的球墨铸铁，在ASTM3级标准范围内，冲击韧度、硬度、抗拉强度最小的最佳热处理参数为等温淬火温度333℃，等温淬火时间136min．在ASTM4级标准范围内，冲击韧度、硬度、抗拉强度最小的最佳热处理参数为等温淬火温度312℃，等温淬火时间132min．

4)该模型的建立，为ADI热处理工艺优化提供了一个有效的工具，试验结果与计算结果十分吻合。

参考文献(References)

［1］邓宏远，王春景，章舟，等．温淬火球墨铸铁的生产及应用实例

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8vx1.html