S34MnV钢船用主轴颈热处理过程数值模拟
发布时间：2021-09-30 09:38
大型船用曲轴是船舶发动机的重要组成部分,由主轴颈和曲拐两部分构成。主轴颈在热处理中会因内应力而发生变形,该部件一旦发生损坏,会对发动机其他部位的零件造成一定的影响,进而影响到发动机的稳定工作。因此,主轴颈的制造工艺必须符合标准规范的严格要求。随着科技发展,仿真技术日益成熟,尤其在发动机零部件设计中得到了较多的应用。本文主轴颈的原材料为S34Mn V钢,为得到温度、相变和应力影响在内的多场耦合模拟,有必要量化应力对相变塑性和相变动力学的影响,并推导出相应的数学模型。本文首先对船用主轴颈进行了简单的介绍,阐述了国内外热处理过程的数值模拟发展历程,理论部分着重介绍了传热、组织与应力计算模型的基本原理。采用Gleeble-3500型热模拟机,通过不同拉/压应力下的膨胀实验研究了S34Mn V钢马氏体体积变化。从总应变中提取弹性应变、热应变和相变应变,对实验数据进行了综合分析,确定了Greenwood-Johnson马氏体相变模型中的相变塑性系数和Koistinen-Marburger方程中的相变动力学参数与应力的关系。利用JMat Pro软件计算了S34Mn V钢的各个物性参数,并利用ABAQ...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
船用曲轴
第一章绪论3表1.2S34MnV钢的调质处理后性能要求Table1.2PerformancerequirementsofS34MnVsteelafterquenchingandtempering性能Re(MPa）Rm(MPa）A(%）Z(%）Akv(J）参考硬度(HB）S34MnV钢≥350≥610纵向试样≥18，横向试样≥15≥40纵向试样≥18，横向试样≥14180~2201.3热处理过程数值模拟采用传统的实验进行热处理，不仅浪费大量的人力、物力，而且所得到的结果通常含有较大的局限性。如今随着计算机技术和有限元仿真模拟技术的迅速发展，国内外通过在虚拟的实验室中数值模拟出各种实验，相对于传统实验方法，数值模拟具有成本低、周期短等特点。在热处理过程中，很多复杂因素相互影响制约，在图1.2中显示了在热处理过程中多场之间及和化学成分之间的关系。图1.2热处理过程中温度尝金属组织、应力/应变场和化学成分关系示意图Fig.1.2Illustrationofthecouplingrelationshipoftemperature,microstructureandstress/stain(1)温度场对应力/应变场作用：在热处理过程中，工件不同部位之间存在着冷却不均匀和不同时现象，工件的各部位相互连接在一起，彼此制约，各个部位产生不协调膨胀或者收缩，从而造成热应力。(2)应力/应变场对温度作用：作用在物体表面或内部的应力将进一步产生应变，同时将其中的部分能量转化为热能，然后通过热量的形式释放出来，这个过程被称为机械功生热。(3)温度场对金属组织影响：在扩散、非扩散相变中，温度对组织转变及组织的转变量都有一定的影响。
第二章淬火过程的基本理论15Davenport和Bain于1930年提出了等温转变曲线，即TTT曲线[50]。从TTT曲线可以看出不同温度下的显微组织变化，本论文按照TTT曲线和叠加法来计算组织的转变。图2.1为JMatPro软件计算出的S34MnV钢的等温转变曲线。从图2.1上可以看到：(1)S34MnV钢从奥氏体化温度冷却到不同温度，等温一段时间后产生的组织；(2)各种转变产物的形成温度区间，即相变开始与终了温度；(3)各个温度下等温转变开始、终了的时间；(4)转变终了时的各个组织的转变量。图2.1等温转变曲线(TTT)Fig.2.1Isothermaltransformationcurve在淬火过程中，S34MnV钢热处理过程中会发生奥氏体向珠光体转变的扩散型相变，也有奥氏体向马氏体转变的非扩散型相变，但是，目前还没有统一描述各种材料在不同条件下各个相的相变形核及新相生长的动力学表达[51]。2.2.1扩散型相变在本文中，特作以下假设：忽略新相形成时成分分布的变化、新旧相碰撞与否对相变动力学的影响，本文假设形核率、生长率不会随温度变化而发生变化，新相生长的速度较快，当达到一定尺寸时，新相会立即停止生长。此时可以利用Avrami方程结合Scheil相加性原理计算S34MnV钢的铁素体、珠光体的转变；对于扩散型转变，可以用Avrami[52]提出的经验方程来描述：=1()(2.12)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cr5钢马氏体的相变塑性和应力对其相变动力学的影响[J]. 王葛,王亚杰,李磊,马占山,胡君泰,陈博伟,李强. 材料研究学报. 2018(07)
[2]NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法[J]. 李云飞,陈成,曾祥国. 航空材料学报. 2018(01)
[3]轮毂轴承外圈整体淬火过程的数值模拟[J]. 李明磊,刘宏业,邓凯文,邓四二,康乃正. 轴承. 2016(07)
[4]应力对U75V重轨钢珠光体转变的相变塑性影响[J]. 陈林,常国,魏然,李泽远,王晓婷,刘宇雁. 塑性工程学报. 2014(05)
[5]基于JMatPro软件15CrMo渗碳钢淬火组织与热物理力学性能预测[J]. 杨永春. 热加工工艺. 2013(20)
[6]Al-Mg-Si-Mn合金的TTT曲线[J]. 李慎兰,黄志其,陈维平,刘志铭,戚文军. 材料热处理学报. 2013(04)
[7]金属材料相图及物理性能计算软件JMatPro V6.1简介[J]. CAD/CAM与制造业信息化. 2012(10)
[8]发动机曲轴材料及其发展[J]. 李海国,路俊峰. 汽车工艺与材料. 2012(09)
[9]船舶柴油机曲轴轴线状态评估系统开发与运用[J]. 郭军武,陈宝忠,邓荣成. 船舶工程. 2011(S2)
[10]利用Fourier变换求解热传导方程的定解问题[J]. 金启胜. 上饶师范学院学报. 2011(03)
硕士论文
[1]特大型支承辊锻后热处理过程数值模拟及组织控制技术[D]. 刘泽虎.河南科技大学 2013
[2]大型船用曲轴曲拐锻造新工艺及工装研究[D]. 郑会赛.燕山大学 2012
[3]船舶动力装置轴功率测量方法研究[D]. 肖华.武汉理工大学 2009
[4]船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究[D]. 武玉波.燕山大学 2005
[5]AZ61镁合金SIMA法半固态制备及二次加热的研究[D]. 张发云.南昌大学 2005
本文编号：3415597
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
船用曲轴
第一章绪论3表1.2S34MnV钢的调质处理后性能要求Table1.2PerformancerequirementsofS34MnVsteelafterquenchingandtempering性能Re(MPa）Rm(MPa）A(%）Z(%）Akv(J）参考硬度(HB）S34MnV钢≥350≥610纵向试样≥18，横向试样≥15≥40纵向试样≥18，横向试样≥14180~2201.3热处理过程数值模拟采用传统的实验进行热处理，不仅浪费大量的人力、物力，而且所得到的结果通常含有较大的局限性。如今随着计算机技术和有限元仿真模拟技术的迅速发展，国内外通过在虚拟的实验室中数值模拟出各种实验，相对于传统实验方法，数值模拟具有成本低、周期短等特点。在热处理过程中，很多复杂因素相互影响制约，在图1.2中显示了在热处理过程中多场之间及和化学成分之间的关系。图1.2热处理过程中温度尝金属组织、应力/应变场和化学成分关系示意图Fig.1.2Illustrationofthecouplingrelationshipoftemperature,microstructureandstress/stain(1)温度场对应力/应变场作用：在热处理过程中，工件不同部位之间存在着冷却不均匀和不同时现象，工件的各部位相互连接在一起，彼此制约，各个部位产生不协调膨胀或者收缩，从而造成热应力。(2)应力/应变场对温度作用：作用在物体表面或内部的应力将进一步产生应变，同时将其中的部分能量转化为热能，然后通过热量的形式释放出来，这个过程被称为机械功生热。(3)温度场对金属组织影响：在扩散、非扩散相变中，温度对组织转变及组织的转变量都有一定的影响。
第二章淬火过程的基本理论15Davenport和Bain于1930年提出了等温转变曲线，即TTT曲线[50]。从TTT曲线可以看出不同温度下的显微组织变化，本论文按照TTT曲线和叠加法来计算组织的转变。图2.1为JMatPro软件计算出的S34MnV钢的等温转变曲线。从图2.1上可以看到：(1)S34MnV钢从奥氏体化温度冷却到不同温度，等温一段时间后产生的组织；(2)各种转变产物的形成温度区间，即相变开始与终了温度；(3)各个温度下等温转变开始、终了的时间；(4)转变终了时的各个组织的转变量。图2.1等温转变曲线(TTT)Fig.2.1Isothermaltransformationcurve在淬火过程中，S34MnV钢热处理过程中会发生奥氏体向珠光体转变的扩散型相变，也有奥氏体向马氏体转变的非扩散型相变，但是，目前还没有统一描述各种材料在不同条件下各个相的相变形核及新相生长的动力学表达[51]。2.2.1扩散型相变在本文中，特作以下假设：忽略新相形成时成分分布的变化、新旧相碰撞与否对相变动力学的影响，本文假设形核率、生长率不会随温度变化而发生变化，新相生长的速度较快，当达到一定尺寸时，新相会立即停止生长。此时可以利用Avrami方程结合Scheil相加性原理计算S34MnV钢的铁素体、珠光体的转变；对于扩散型转变，可以用Avrami[52]提出的经验方程来描述：=1()(2.12)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cr5钢马氏体的相变塑性和应力对其相变动力学的影响[J]. 王葛,王亚杰,李磊,马占山,胡君泰,陈博伟,李强. 材料研究学报. 2018(07)
[2]NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法[J]. 李云飞,陈成,曾祥国. 航空材料学报. 2018(01)
[3]轮毂轴承外圈整体淬火过程的数值模拟[J]. 李明磊,刘宏业,邓凯文,邓四二,康乃正. 轴承. 2016(07)
[4]应力对U75V重轨钢珠光体转变的相变塑性影响[J]. 陈林,常国,魏然,李泽远,王晓婷,刘宇雁. 塑性工程学报. 2014(05)
[5]基于JMatPro软件15CrMo渗碳钢淬火组织与热物理力学性能预测[J]. 杨永春. 热加工工艺. 2013(20)
[6]Al-Mg-Si-Mn合金的TTT曲线[J]. 李慎兰,黄志其,陈维平,刘志铭,戚文军. 材料热处理学报. 2013(04)
[7]金属材料相图及物理性能计算软件JMatPro V6.1简介[J]. CAD/CAM与制造业信息化. 2012(10)
[8]发动机曲轴材料及其发展[J]. 李海国,路俊峰. 汽车工艺与材料. 2012(09)
[9]船舶柴油机曲轴轴线状态评估系统开发与运用[J]. 郭军武,陈宝忠,邓荣成. 船舶工程. 2011(S2)
[10]利用Fourier变换求解热传导方程的定解问题[J]. 金启胜. 上饶师范学院学报. 2011(03)
硕士论文
[1]特大型支承辊锻后热处理过程数值模拟及组织控制技术[D]. 刘泽虎.河南科技大学 2013
[2]大型船用曲轴曲拐锻造新工艺及工装研究[D]. 郑会赛.燕山大学 2012
[3]船舶动力装置轴功率测量方法研究[D]. 肖华.武汉理工大学 2009
[4]船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究[D]. 武玉波.燕山大学 2005
[5]AZ61镁合金SIMA法半固态制备及二次加热的研究[D]. 张发云.南昌大学 2005
本文编号：3415597
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