考虑多因素影响的雾化气体淬火过程应力场研究

发布时间：2018-01-26 15:46

本文关键词： 雾化淬火应力场换热系数流场　出处：《昆明理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：淬火是最常采用的改善金属材料组织形态和机械性能的热处理工艺之一,但传统的淬火工艺由于淬火介质的冷却性能不够理想和不易控制,往往导致工件淬火后产生各种缺陷而报废。雾化气体淬火采用气体和液体混合雾化后作为淬火介质,能通过调整其成分、流速、压力等参数获得所需的淬冷速度,同时还具有清洁、环保、高效等优点,是一个应用面广,潜力大,前景广阔的研究方向。淬火件的变形及开裂问题是实际生产中的一个重点和难点,这在大型锻件、高合金钢及精密零部件的淬火热处理中尤其突出。淬火应力是导致零件产生变形和开裂的基本原因,对其进行预测、控制一直是相关科学和工程技术人员极为关注的内容。目前,国内外对雾化气体淬火过程中的应力场研究还较少,在其模型的建立,数值方法的选用和残余应力的测试等方面都需要进行更深入的研究。针对上述问题,本文采用理论分析、计算机模拟和实验研究相结合的方法,应用多学科交叉研究雾化气体淬火时考虑多因素影响的应力场,重点研究其数理模型、边界条件、数值模拟和实验测试。本文的主要研究工作和结果如下：(1)雾化气体淬火时考虑多因素影响的应力场数理模型研究。论文充分考虑到雾化气体淬火的特殊性,分析了淬火应力的产生原因和雾化气体淬火过程多物理场之间的相互耦合关系。在此基础上,应用多学科知识,推导了淬火热传导控制方程、相变条件和材料性能参数的计算公式,并将相变因素引入到热弹塑性应力应变关系中,提出了包含相变影响的雾化气体淬火过程应力场的本构方程,较真实的反映了雾化气体淬火过程工件应力场的实际情况。(2)淬火过程雾化气体流场研究和应力场气流压力边界条件确定。采用混合模型,应用基于有限体积法的流体动力学模拟软件FLUENT对不同介质流速工况下的雾化气体流场进行了耦合数值模拟,得到了淬火介质流体的速度场、压力场的分布和规律,并确定了淬火应力场的气压边界条件。流场模拟结果表明：随着雾化气体进口流速的增大,工件附近淬火介质的流速和压力也变大；在相同气流进口速度的情况下,在淬火箱内筒壁面与导流环间距离较小,且导流环倾角为60度时,淬火箱中的流场速度和压力值都较大,且分布均匀,流动稳定。(3)实验装置结构优化和雾化气体淬火实验研究。根据试件不同放置位置和不同结构淬火箱的流场模拟结果,获得了淬火箱的结构工艺优化参数,对淬火设备进行了改进,并以此设备进行了大量的雾化气体淬火实验和研究工作。设计了试件雾化气体淬火、连续冷却曲线采集、残余应力测试以及淬火介质流速测试的实验方案,并进行了相关实验,获得了相关模拟计算的依据数据,同时还根据实验结果对模拟和计算结果进行了对比验证,并对模型和理论进行修正。(4)雾化气体淬火换热边界条件研究。雾化气体淬火换热过程是对流、辐射和沸腾换热等的综合,且往往伴随着材料相变潜热的释放,想要对其换热系数进行实时在线测试往往是不可能的。本文基于反演问题的理论和方法,根据实测的试件内部温度场数据,采用非线性反求估算法和有限差分法用Matlab软件编程求解热传导逆问题,获得多因素影响作用下的应力场传热边界条件一表面综合换热系数。研究结果表明这是一种由内部某一已知量来确定边界条件进而研究多参数耦合效应的有效研究思路和方法。(5)雾化气体淬火应力场数值模拟和残余应力场测试研究。将表面综合换热系数和试件表面的气流压力作为应力场的换热和压力边界条件,运用有限元分析软件ANSYS建立了淬火件的几何模型和有限元模型,施加相应的位移边界条件并导入考虑相变影响的材料性能参数,对多因素影响的淬火应力场进行数值模拟计算和分析。然后采用钻孔法对雾化气体淬火冷却后试件的残余应力进行了测量并采集实验数据,将数值模拟计算结果和实验数据进行对比分析,结果表明,淬火残余应力的有限元数值模拟计算和实验结果较吻合,表明本文对雾化气体淬火时的应力场数值模拟是有效的。(6)腹板式齿轮在雾化气体淬火过程中的瞬态应力场模拟研究。利用已经证明是正确有效的淬火冷却时应力场的有限元求解方法,模拟计算了复杂形状的腹板式齿轮在雾化气体淬火过程中的瞬态应力场,得到了齿轮应力场计算结果曲线和三维表面和切片截面的应力场云图变化情况,较直观的展示了齿轮内部应力分布和变化情况,模拟结果为零件雾化气体淬火工艺方案的制定和工艺参数的选择提供了重要依据。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG156.3

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