金属及合金在不同介质中淬火时的数值模拟和应用研究
发布时间：2021-02-08 02:57
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...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：296 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 常规淬火工艺概述
1.2 高压气体淬火技术发展现状
1.2.1 高压气体淬火的特点
1.2.2 高压气体淬火设备的发展情况
1.2.3 影响高压气体淬火技术的主要因素
1.2.4 高压气体淬火技术的经济因素
1.3 淬火过程数值模拟的研究现状
1.3.1 淬火过程计算机数值模拟技术
1.3.2 淬火过程中淬火工件内部相变情况的数值模拟
1.3.3 淬火时表面综合换热系数的计算
1.3.4 淬火时瞬态温度场的数值模拟
1.3.5 淬火热应力场的数值模拟和残余应力测试
1.3.6 工件淬火后部分力学性能的数值模拟
1.4 金属及合金高压气体淬火的应用和研究情况
1.4.1 工业应用情况
1.4.2 高压气体淬火数值模拟研究情况
1.5 论文研究课题的提出
1.5.1 课题的背景
1.5.2 课题的来源
1.5.3 选题的依据及意义
1.6 论文的总体思路和主要研究内容
1.6.1 论文的总体思路
1.6.2 论文的工作和主要任务
1.6.3 论文研究工作的创新点
第二章 淬火时热传导的基本原理和数学模型
2.1 淬火过程热传导基本原理
2.1.1 淬火时热传导方程的建立
2.1.2 淬火过程的定解问题与定解条件
2.1.3 金属及合金淬火时的初始条件
2.1.4 金属及合金淬火时的边界条件
2.1.5 金属及合金的热物理性能参数
2.1.6 金属及合金淬火时相变潜热的计算
2.2 导热正问题和逆问题
2.2.1 导热正问题与逆问题的概念
2.2.2 金属及合金工件淬火时导热问题的分析
2.3 求解淬火时非线性热传导逆问题的方法
2.3.1 主要方法概述
2.3.2 有限差分法求解非线性导热逆问题
2.3.3 有限单元法求解非线性导热逆问题
2.3.4 逆解法求解非线性导热逆问题的思路
2.4 淬火时非线性热传导控制方程组的差分格式
2.4.1 非线性热传导方程的有限差分格式
2.4.2 淬火时换热边界条件的差分格式
2.4.3 淬火时非线性热传导控制方程组的有限差分格式
2.4.4 淬火时非线性热传导控制方程组有限差分格式的稳定性
2.5 淬火时非线性导热逆问题的泛函及变分原理
2.5.1 建立泛函的原理
2.5.2 圆柱体试件淬火时非线性导热问题的泛函存在条件
2.5.3 金属及合金圆柱体试件淬火时导热问题的泛函
2.5.4 金属及合金圆柱体试件淬火时导热问题的变分原理
2.6 本章小结
第三章 淬火冷却曲线及淬火后材料部分性能的测试实验
3.1 金属及合金淬火冷却曲线的测试实验
3.1.1 淬火时冷却曲线的计算机自动采样测试系统
3.1.2 淬火实验设计及实验材料
3.1.3 实验试件及仪器
3.1.4 淬火实验方法及过程
3.1.5 淬火冷却曲线的测试实验结果
3.1.6 淬火冷却曲线测试结果分析
3.1.7 淬火时平均冷却速度的测算结果与分析
3.2 金属及合金试件淬火后部分性能的测试实验
3.2.1 淬火后试件金相的测试分析
3.2.2 淬火后试件硬度的测试分析
3.2.3 淬火后试件表面质量的评价与分析
3.2.4 淬火后试件中残余应力的测试分析
3.3 本章小结
第四章 淬火时固态相变理论和相成分计算模型
4.1 淬火时的固态相变理论
4.1.1 淬火时金属及合金材料中的相变类型
4.1.2 金属及合金淬火时的相变分析
4.1.3 相变动力学
4.2 淬火时工件内相成分模拟计算的数学模型
4.2.1 连续冷却的数学模型Ⅰ
4.2.2 连续冷却的数学模型Ⅱ
4.2.3 两种数学模型的比较分析
4.3 相成分模拟计算的实现途径
4.3.1 相成分模拟计算的结果
4.3.2 相成分模拟计算结果分析
4.3.3 相成分模拟计算准确性及可行性分析
4.4 相变潜热释放量的模拟计算
4.5 本章小结
第五章 淬火时表面综合换热系数的分析与计算
5.1 淬火时表面综合换热系数的求解原理
5.2 逆求解法计算淬火时表面综合换热系数
5.2.1 表面综合换热系数增量的导出
5.2.2 淬火时表面综合换热系数的计算过程
5.2.3 表面换热系数的计算结果
5.3 淬火时表面综合换热系数测算结果分析
5.4 本章小结
第六章 淬火冷却温度场的计算分析
6.1 有限差分法计算淬冷温度场
6.1.1 淬冷温度场的差分计算格式
6.1.2 有限差分法计算淬冷温度场的结果
6.2 有限单元法计算淬冷温度场
6.2.1 淬冷温度场的有限元基本列式
6.2.2 自编有限元程序求解淬冷温度场
6.3 ANSYS软件分析计算淬冷温度场
6.3.1 ANSYS软件简介
6.3.2 ANSYS软件计算淬冷温度场时的前处理
6.3.3 ANSYS分析计算淬冷温度场的结果
6.4 不同方法计算淬冷温度场结果的分析
6.5 本章小结
第七章 淬火时热应力场和残余应力的模拟计算
7.1 金属及合金淬火热应力场的本构关系
7.1.1 弹性应变增量
7.1.2 塑性应变增量
7.1.3 热应变增量
7.1.4 相变应变增量
7.1.5 金属及合金淬火时增量型应力应变关系
7.2 淬火热应力场的定解条件
7.3 材料及边界非线性的处理
7.4 淬火热应力场的求解和计算结果分析
7.4.1 求解淬火热应力场时的前处理
7.4.2 淬火热应力场ANSYS有限元软件求解结果
7.4.3 淬火热应力场模拟计算结果的分析
7.5 工件淬火后残余应力的研究及淬火热应力场的验证
7.6 本章小结
第八章 结果分析与讨论
8.1 论文研究内容的主要结果与结论
8.2 论文的创新性研究内容
8.3 论文中存在的不足
8.4 金属及合金高压气体淬火技术的应用前景
8.5 部分问题的探讨
8.5.1 实验研究中部分问题的探讨
8.5.2 数值模拟计算中部分问题的探讨
8.6 需要进一步深入的研究工作
致谢
参考文献
附录A（ANSYS软件分析计算淬冷温度场的命令流程序）
附录B（ANSYS软件分析计算淬冷热应力场的命令流程序）
附录C（45钢试件2.0MPa氮气淬火时热应力场模拟结果）
附录D（攻读博士学位期间发表和完成的学术论文目录）
附录E（攻读博士学位期间作为主要成员参加的科研工作）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Solution of an Inverse Problem of Heat Conduction of 45 Steel with Martensite Phase Transformation in High Pressure during Gas Quenching[J]. Heming CHENG, Tianchun HE and Jianbin XIEDepartment of Engineering Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China. Journal of Materials Science & Technology. 2002(04)
[2]钢淬火时非线性热问题的研究[J]. 谢建斌,程赫明,何天淳. 桂林工学院学报. 2001(03)
本文编号：3023263
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：296 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 常规淬火工艺概述
1.2 高压气体淬火技术发展现状
1.2.1 高压气体淬火的特点
1.2.2 高压气体淬火设备的发展情况
1.2.3 影响高压气体淬火技术的主要因素
1.2.4 高压气体淬火技术的经济因素
1.3 淬火过程数值模拟的研究现状
1.3.1 淬火过程计算机数值模拟技术
1.3.2 淬火过程中淬火工件内部相变情况的数值模拟
1.3.3 淬火时表面综合换热系数的计算
1.3.4 淬火时瞬态温度场的数值模拟
1.3.5 淬火热应力场的数值模拟和残余应力测试
1.3.6 工件淬火后部分力学性能的数值模拟
1.4 金属及合金高压气体淬火的应用和研究情况
1.4.1 工业应用情况
1.4.2 高压气体淬火数值模拟研究情况
1.5 论文研究课题的提出
1.5.1 课题的背景
1.5.2 课题的来源
1.5.3 选题的依据及意义
1.6 论文的总体思路和主要研究内容
1.6.1 论文的总体思路
1.6.2 论文的工作和主要任务
1.6.3 论文研究工作的创新点
第二章 淬火时热传导的基本原理和数学模型
2.1 淬火过程热传导基本原理
2.1.1 淬火时热传导方程的建立
2.1.2 淬火过程的定解问题与定解条件
2.1.3 金属及合金淬火时的初始条件
2.1.4 金属及合金淬火时的边界条件
2.1.5 金属及合金的热物理性能参数
2.1.6 金属及合金淬火时相变潜热的计算
2.2 导热正问题和逆问题
2.2.1 导热正问题与逆问题的概念
2.2.2 金属及合金工件淬火时导热问题的分析
2.3 求解淬火时非线性热传导逆问题的方法
2.3.1 主要方法概述
2.3.2 有限差分法求解非线性导热逆问题
2.3.3 有限单元法求解非线性导热逆问题
2.3.4 逆解法求解非线性导热逆问题的思路
2.4 淬火时非线性热传导控制方程组的差分格式
2.4.1 非线性热传导方程的有限差分格式
2.4.2 淬火时换热边界条件的差分格式
2.4.3 淬火时非线性热传导控制方程组的有限差分格式
2.4.4 淬火时非线性热传导控制方程组有限差分格式的稳定性
2.5 淬火时非线性导热逆问题的泛函及变分原理
2.5.1 建立泛函的原理
2.5.2 圆柱体试件淬火时非线性导热问题的泛函存在条件
2.5.3 金属及合金圆柱体试件淬火时导热问题的泛函
2.5.4 金属及合金圆柱体试件淬火时导热问题的变分原理
2.6 本章小结
第三章 淬火冷却曲线及淬火后材料部分性能的测试实验
3.1 金属及合金淬火冷却曲线的测试实验
3.1.1 淬火时冷却曲线的计算机自动采样测试系统
3.1.2 淬火实验设计及实验材料
3.1.3 实验试件及仪器
3.1.4 淬火实验方法及过程
3.1.5 淬火冷却曲线的测试实验结果
3.1.6 淬火冷却曲线测试结果分析
3.1.7 淬火时平均冷却速度的测算结果与分析
3.2 金属及合金试件淬火后部分性能的测试实验
3.2.1 淬火后试件金相的测试分析
3.2.2 淬火后试件硬度的测试分析
3.2.3 淬火后试件表面质量的评价与分析
3.2.4 淬火后试件中残余应力的测试分析
3.3 本章小结
第四章 淬火时固态相变理论和相成分计算模型
4.1 淬火时的固态相变理论
4.1.1 淬火时金属及合金材料中的相变类型
4.1.2 金属及合金淬火时的相变分析
4.1.3 相变动力学
4.2 淬火时工件内相成分模拟计算的数学模型
4.2.1 连续冷却的数学模型Ⅰ
4.2.2 连续冷却的数学模型Ⅱ
4.2.3 两种数学模型的比较分析
4.3 相成分模拟计算的实现途径
4.3.1 相成分模拟计算的结果
4.3.2 相成分模拟计算结果分析
4.3.3 相成分模拟计算准确性及可行性分析
4.4 相变潜热释放量的模拟计算
4.5 本章小结
第五章 淬火时表面综合换热系数的分析与计算
5.1 淬火时表面综合换热系数的求解原理
5.2 逆求解法计算淬火时表面综合换热系数
5.2.1 表面综合换热系数增量的导出
5.2.2 淬火时表面综合换热系数的计算过程
5.2.3 表面换热系数的计算结果
5.3 淬火时表面综合换热系数测算结果分析
5.4 本章小结
第六章 淬火冷却温度场的计算分析
6.1 有限差分法计算淬冷温度场
6.1.1 淬冷温度场的差分计算格式
6.1.2 有限差分法计算淬冷温度场的结果
6.2 有限单元法计算淬冷温度场
6.2.1 淬冷温度场的有限元基本列式
6.2.2 自编有限元程序求解淬冷温度场
6.3 ANSYS软件分析计算淬冷温度场
6.3.1 ANSYS软件简介
6.3.2 ANSYS软件计算淬冷温度场时的前处理
6.3.3 ANSYS分析计算淬冷温度场的结果
6.4 不同方法计算淬冷温度场结果的分析
6.5 本章小结
第七章 淬火时热应力场和残余应力的模拟计算
7.1 金属及合金淬火热应力场的本构关系
7.1.1 弹性应变增量
7.1.2 塑性应变增量
7.1.3 热应变增量
7.1.4 相变应变增量
7.1.5 金属及合金淬火时增量型应力应变关系
7.2 淬火热应力场的定解条件
7.3 材料及边界非线性的处理
7.4 淬火热应力场的求解和计算结果分析
7.4.1 求解淬火热应力场时的前处理
7.4.2 淬火热应力场ANSYS有限元软件求解结果
7.4.3 淬火热应力场模拟计算结果的分析
7.5 工件淬火后残余应力的研究及淬火热应力场的验证
7.6 本章小结
第八章 结果分析与讨论
8.1 论文研究内容的主要结果与结论
8.2 论文的创新性研究内容
8.3 论文中存在的不足
8.4 金属及合金高压气体淬火技术的应用前景
8.5 部分问题的探讨
8.5.1 实验研究中部分问题的探讨
8.5.2 数值模拟计算中部分问题的探讨
8.6 需要进一步深入的研究工作
致谢
参考文献
附录A（ANSYS软件分析计算淬冷温度场的命令流程序）
附录B（ANSYS软件分析计算淬冷热应力场的命令流程序）
附录C（45钢试件2.0MPa氮气淬火时热应力场模拟结果）
附录D（攻读博士学位期间发表和完成的学术论文目录）
附录E（攻读博士学位期间作为主要成员参加的科研工作）
【参考文献】：
期刊论文
[1]Solution of an Inverse Problem of Heat Conduction of 45 Steel with Martensite Phase Transformation in High Pressure during Gas Quenching[J]. Heming CHENG, Tianchun HE and Jianbin XIEDepartment of Engineering Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China. Journal of Materials Science & Technology. 2002(04)
[2]钢淬火时非线性热问题的研究[J]. 谢建斌,程赫明,何天淳. 桂林工学院学报. 2001(03)
本文编号：3023263
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