本文關(guān)鍵詞： 霧化 淬火 應(yīng)力場 換熱系數(shù) 流場　出處：《昆明理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：淬火是最常采用的改善金屬材料組織形態(tài)和機械性能的熱處理工藝之一,但傳統(tǒng)的淬火工藝由于淬火介質(zhì)的冷卻性能不夠理想和不易控制,往往導(dǎo)致工件淬火后產(chǎn)生各種缺陷而報廢。霧化氣體淬火采用氣體和液體混合霧化后作為淬火介質(zhì),能通過調(diào)整其成分、流速、壓力等參數(shù)獲得所需的淬冷速度,同時還具有清潔、環(huán)保、高效等優(yōu)點,是一個應(yīng)用面廣,潛力大,前景廣闊的研究方向。淬火件的變形及開裂問題是實際生產(chǎn)中的一個重點和難點,這在大型鍛件、高合金鋼及精密零部件的淬火熱處理中尤其突出。淬火應(yīng)力是導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形和開裂的基本原因,對其進行預(yù)測、控制一直是相關(guān)科學(xué)和工程技術(shù)人員極為關(guān)注的內(nèi)容。目前,國內(nèi)外對霧化氣體淬火過程中的應(yīng)力場研究還較少,在其模型的建立,數(shù)值方法的選用和殘余應(yīng)力的測試等方面都需要進行更深入的研究。針對上述問題,本文采用理論分析、計算機模擬和實驗研究相結(jié)合的方法,應(yīng)用多學(xué)科交叉研究霧化氣體淬火時考慮多因素影響的應(yīng)力場,重點研究其數(shù)理模型、邊界條件、數(shù)值模擬和實驗測試。本文的主要研究工作和結(jié)果如下：(1)霧化氣體淬火時考慮多因素影響的應(yīng)力場數(shù)理模型研究。論文充分考慮到霧化氣體淬火的特殊性,分析了淬火應(yīng)力的產(chǎn)生原因和霧化氣體淬火過程多物理場之間的相互耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用多學(xué)科知識,推導(dǎo)了淬火熱傳導(dǎo)控制方程、相變條件和材料性能參數(shù)的計算公式,并將相變因素引入到熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中,提出了包含相變影響的霧化氣體淬火過程應(yīng)力場的本構(gòu)方程,較真實的反映了霧化氣體淬火過程工件應(yīng)力場的實際情況。(2)淬火過程霧化氣體流場研究和應(yīng)力場氣流壓力邊界條件確定。采用混合模型,應(yīng)用基于有限體積法的流體動力學(xué)模擬軟件FLUENT對不同介質(zhì)流速工況下的霧化氣體流場進行了耦合數(shù)值模擬,得到了淬火介質(zhì)流體的速度場、壓力場的分布和規(guī)律,并確定了淬火應(yīng)力場的氣壓邊界條件。流場模擬結(jié)果表明：隨著霧化氣體進口流速的增大,工件附近淬火介質(zhì)的流速和壓力也變大；在相同氣流進口速度的情況下,在淬火箱內(nèi)筒壁面與導(dǎo)流環(huán)間距離較小,且導(dǎo)流環(huán)傾角為60度時,淬火箱中的流場速度和壓力值都較大,且分布均勻,流動穩(wěn)定。(3)實驗裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化和霧化氣體淬火實驗研究。根據(jù)試件不同放置位置和不同結(jié)構(gòu)淬火箱的流場模擬結(jié)果,獲得了淬火箱的結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化參數(shù),對淬火設(shè)備進行了改進,并以此設(shè)備進行了大量的霧化氣體淬火實驗和研究工作。設(shè)計了試件霧化氣體淬火、連續(xù)冷卻曲線采集、殘余應(yīng)力測試以及淬火介質(zhì)流速測試的實驗方案,并進行了相關(guān)實驗,獲得了相關(guān)模擬計算的依據(jù)數(shù)據(jù),同時還根據(jù)實驗結(jié)果對模擬和計算結(jié)果進行了對比驗證,并對模型和理論進行修正。(4)霧化氣體淬火換熱邊界條件研究。霧化氣體淬火換熱過程是對流、輻射和沸騰換熱等的綜合,且往往伴隨著材料相變潛熱的釋放,想要對其換熱系數(shù)進行實時在線測試往往是不可能的。本文基于反演問題的理論和方法,根據(jù)實測的試件內(nèi)部溫度場數(shù)據(jù),采用非線性反求估算法和有限差分法用Matlab軟件編程求解熱傳導(dǎo)逆問題,獲得多因素影響作用下的應(yīng)力場傳熱邊界條件一表面綜合換熱系數(shù)。研究結(jié)果表明這是一種由內(nèi)部某一已知量來確定邊界條件進而研究多參數(shù)耦合效應(yīng)的有效研究思路和方法。(5)霧化氣體淬火應(yīng)力場數(shù)值模擬和殘余應(yīng)力場測試研究。將表面綜合換熱系數(shù)和試件表面的氣流壓力作為應(yīng)力場的換熱和壓力邊界條件,運用有限元分析軟件ANSYS建立了淬火件的幾何模型和有限元模型,施加相應(yīng)的位移邊界條件并導(dǎo)入考慮相變影響的材料性能參數(shù),對多因素影響的淬火應(yīng)力場進行數(shù)值模擬計算和分析。然后采用鉆孔法對霧化氣體淬火冷卻后試件的殘余應(yīng)力進行了測量并采集實驗數(shù)據(jù),將數(shù)值模擬計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析,結(jié)果表明,淬火殘余應(yīng)力的有限元數(shù)值模擬計算和實驗結(jié)果較吻合,表明本文對霧化氣體淬火時的應(yīng)力場數(shù)值模擬是有效的。(6)腹板式齒輪在霧化氣體淬火過程中的瞬態(tài)應(yīng)力場模擬研究。利用已經(jīng)證明是正確有效的淬火冷卻時應(yīng)力場的有限元求解方法,模擬計算了復(fù)雜形狀的腹板式齒輪在霧化氣體淬火過程中的瞬態(tài)應(yīng)力場,得到了齒輪應(yīng)力場計算結(jié)果曲線和三維表面和切片截面的應(yīng)力場云圖變化情況,較直觀的展示了齒輪內(nèi)部應(yīng)力分布和變化情況,模擬結(jié)果為零件霧化氣體淬火工藝方案的制定和工藝參數(shù)的選擇提供了重要依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG156.3

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