金属及合金在不同介质中淬火时的数值模拟和应用研究

【摘要】：为了深入研究金属及合金淬火技术的理论及应用情况，提高金属及合金工件的淬火质量，预测工件淬火后的性能，定量研究金属及合金的淬火过程，为金属及合金高压气体淬火数值模拟的理论研究做些基础工作，论文将材料科学、力学、传热学和计算机模拟技术等学科相结合，从45钢、T10钢、9SiCr钢和W18Cr4V钢四种典型金属及合金在清水、锭子油和高压氮气中淬火的实验出发，对金属及合金常规淬火和高压气体淬火过程进行了理论研究和数值模拟。 论文从常规淬火工艺和高压气体淬火工艺的工业应用情况出发，综合分析了淬火过程数值模拟的研究状况、淬火时工件内部相变数值模拟的研究情况、表面综合换热系数的计算情况、淬火冷却温度场及热应力场的数值模拟情况；主要研究了金属及合金工件淬火时非线性导热的基本情况和相关的数学模型；模拟计算了金属及合金工件淬火时工件内相成分变化情况和相变潜热释放量；计算了工件淬火时的表面综合换热系数；研究了金属及合金工件的淬冷温度场和热应力场；测试了工件在多种淬火介质中淬火时的冷却曲线、工件淬火后的硬度和残余应力；观测了淬火后工件中的微观组织；比较分析了不同材料在不同介质中淬火时的情况，讨论了主要研究结果和结论。 实验研究结果表明：1、应用自行研制的计算机自动采样系统能够较准确地测试金属及合金工件淬火时的冷却曲线；自制高压气体淬火冷却装置能够满足金属及合金材料高压气体淬火实验研究的需要；高压气体淬火技术可以较方便地用于合金钢等淬透性较好材料的工业应用；随着气体压力的不断提高，高压气体淬火技术也可用于碳素钢的淬火处理。2、与清水淬火、锭子油淬火处理相似，高压气体淬火技术也能够改变金属及合金工件内微观组织的分布，改善金属及合金工件的力学性能。3、与清水、锭子油淬火相比较，高压气体淬火时，工件内温差小，相应的热变形和热应力也比较小；高压气体淬火后的工件表面清洁，表面质量较好，工件中的应力分布好。 理论研究和数值模拟研究的结果表明：1、应用非线性估计法、有限差分法以及实验测试结果，能够实现金属及合金材料淬火时耦合相变效应情况下表面综合换热系数的计算。金属及合金材料在清水和锭子油等液体介质中淬火时表面综合换热呈现出泡态、膜态等沸腾换热现象，相应的表面综合换热系数呈现出较强 摘要 的非线性;金属及合金材料在氮气等高压气体中淬火时，除材料相变阶段外，表 面综合换热比较平稳，无沸腾换热等现象，表面综合换热系数的变化大多发生在 材料相变阶段。2、应用材料TTT曲线、Scheil相加性原理和等温相变动力学所 建立的金属及合金相成分计算模型能够实现金属及合金材料不同介质中淬火时 相成分的数值模拟计算。3、从淬火时热弹塑性本构模型出发，用有限差分法、 有限单元法和ANSYS有限元分析软件可实现金属及合金材料淬火冷却时藕合非 线性表面换热、相变因素情况下温度场和热应力场的模拟计算。 实验结果与数值模拟结果的比较表明:金属及合金在不同介质中淬火时的数 值模拟结果比较符合实际情况。相成分模拟计算结果与实际情况比较吻合;金属 及合金试件淬冷温度场有限差分法计算结果、有限单元法计算结果和有限元软件 计算结果与实测结果吻合较好。 论文研究的创新处有:1、应用自行研制的高压气体淬火冷却简易设施实现 了合金钢等材料的高压气体淬火，研制了淬火冷却曲线的计算机自动采集系统并 测试了金属及合金物体在清水、锭子油和高压氮气中淬火时的冷却曲线。2、突 破了传统热弹性力学求解非线性导热问题时须已知边界条件的研究方法，以金属 及合金试件在不同介质中淬火为工程背景，利用比较成熟的热电偶测温技术，实 测试件内部温度为已知条件，求解非线性热传导方程的逆问题，得到金属及合金 材料在不同介质中淬火时的换热边界条件，在此基础上计算金属及合金材料淬火 冷却时的温度场和热应力场，即给出了一种由内部某一已知量来研究边界条件进 而研究多参数藕合效应的研究思路，在数值计算中考虑了相变、非线性热物性系 数、温度和应力等因素的相互藕合作用。3、将淬火数值模拟的研究思路与金属 及合金高压气体淬火技术相结合，建立了金属及合金不同介质淬火时含非线性表 面综合换热系数、组织成分变化、相变潜热、温度和应力相互藕合作用的本构关 系，对金属及合金高压气体淬火时的热弹性理论进行了研究。4、基于AN SYS 软件和非线性处理方法，实现了金属及合金工件淬火时藕合相变因素情况下淬冷 温度场和热应力场的数值模拟。