浸没式淬火冷却过程的数值模拟及实验研究

发布时间：2020-10-11 07:50

　　 由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界范围内汽车行业发展的潮流,提高轻量化和高强度材料的使用比例是当前实现汽车轻量化的最直接途径。浸没式淬火由于优良的均温性能,是一种广泛应用于材料性能提升的热处理方式。浸没式淬火过程非常复杂,涉及淬火工件本身的温度场、应力场和组织场,冷却介质的流场以及他们之间的相互作用。预测工件表面及其内部温度变化规律,控制冷却速度,对于提高产品内在质量、提升产品性能非常关键。本文采用实验和数值模拟两种方法研究了304不锈钢板材和45钢内六角扳手浸没式淬火过程。结果表明:1.临界热流密度系数作为数值模拟中的重要边界条件,会对浸没式淬火过渡沸腾和核态沸腾阶段的模拟结果产生影响。临界热流密度系数增加会导致过渡沸腾阶段的冷却速度加快,Leidenforst点后的温度变化曲线斜率更陡。2.不同方式浸没对工件冷却过程的冷却速率和均匀性有明显影响,内六角扳手水平入水淬火冷却速率较快,但冷却不均匀;内六角扳手竖直入水淬火冷却速率较慢,冷却相对均匀。3.浸没式淬火过程中,工件冷却速度过快会使温度呈梯度分布而形成热应力。工件在热应力作用下产生形变,致使表面有碎屑脱落。4.本文采用的数值模拟方法能够准确模拟出工件任一位置在浸没式淬火过程中的温度变化规律,以及沸腾传热阶段的汽泡生成情况。利用模拟得到的温度场分布情况可对工件热应力的预测提供参考,对实际生产过程提供指导。
【学位单位】：天津商业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG156.3;TG142.1;U466
【部分图文】：

得一些廉价、低性能的材料获得较强的力学性能[4]。将热处理工艺计算机辅助设计和计算机模拟技术相结合，就可以提供热处理过程的实时在线控制和在线决策[8]。此外在一些国际性企业，适用于规模化生产的热处理过程虚拟制造系统也已经在开发中，并伴随着计算机信息化技术不断取得新进展。在可以预见的一段时间内，这些技术将会陆续推广使用。淬火过程的数值模拟虽然在其强大的生命力下取得了长足的进展，得到了相关的领域的日益重视，但热处理过程计算机模拟技术仍处在它自身的发展期，这也意味着我们还有许多问题等待深入的研究，还有很多工作要做。对技术的渴求是永无止境的，随着研究的不断深入，对淬火过程计算机模拟的要求也不断提高。每一次的改进都力求更好的、更真实的反映出淬火过程中各种因素的交互作用。如我们已知的，在淬火过程中，金属工件与被冷却介质包裹，在极短暂的时间内完成大部分的热量交换，此时工件本身的温度场、组织场、应力应变场不断变化[9]，工件周围冷却介质的流场结构也不尽相同，每一个因素都对最终的淬火效果和工件质量产生重大的影响。此外淬火工件本身和冷却介质间还发生着流场和温度场等之间的相互作用和相互影响,具体见图见图 1-1。

在研究过程中，人们逐渐发现只围绕淬火工件或淬火介质开展的工作有较大性。在对淬火工件进行单独模拟时，需要通过实验获取表面综合换热系数施加到表面，工况改变时边界条件也随之改变，对实验数据依赖过大；在对淬火介质进值模拟时，忽略了淬火过程中介质相变产生的沸腾传热和两相流动，仅依靠动量和能量守恒定律，模拟结果与实际存在较大偏差。在当前的研究中，淬火过程中和流场耦合模拟的研究已取得了一定进展，但模拟结果和试验数据还存在一定后续淬火过程的数值模拟应围绕沸腾传热及两相流动问题，进一步改进数学模型高模拟精度，最终实现不依赖于试验数据的、模拟结果可靠的工件和流场耦合的模拟，为实现淬火过程的精准可控奠定必要的理论基础。如前一节所述，伴随着淬火过程中的热量传递，冷却介质的温度场与流场发变，进而与淬火工件温度场相互影响。此外，工件的应力应变场和组织场也与自度的变化息息相关，各场量之间同时存在着多维度的影响关系。另一方面，在淬程的初始阶段，由于工件温度远高于冷却介质在该工况下的饱和温度，会发生剧沸腾相变传热过程，这个过程一般包含四个阶段。以饱和水为例，具体过程如下示。

图 3-1 高温马弗炉及其控制器Fig3-1 High temperature muffle furnace and its controller图 3-2 可拆卸陶瓷塞
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本文编号：2836300