本文關鍵詞： 霧化 淬火 應力場 換熱系數(shù) 流場　出處：《昆明理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【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的冷卻性能不夠理想和不易控制,往往導致工件淬火后產生各種缺陷而報廢。霧化氣體淬火采用氣體和液體混合霧化后作為淬火介質,能通過調整其成分、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。淬火應力是導致零件產生變形和開裂的基本原因,對其進行預測、控制一直是相關科學和工程技術人員極為關注的內容。目前,國內外對霧化氣體淬火過程中的應力場研究還較少,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合的方法,應用多學科交叉研究霧化氣體淬火時考慮多因素影響的應力場,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果如下：(1)霧化氣體淬火時考慮多因素影響的應力場數(shù)理模型研究。論文充分考慮到霧化氣體淬火的特殊性,分析了淬火應力的產生原因和霧化氣體淬火過程多物理場之間的相互耦合關系。在此基礎上,應用多學科知識,推導了淬火熱傳導控制方程、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力應變關系中,提出了包含相變影響的霧化氣體淬火過程應力場的本構方程,較真實的反映了霧化氣體淬火過程工件應力場的實際情況。(2)淬火過程霧化氣體流場研究和應力場氣流壓力邊界條件確定。采用混合模型,應用基于有限體積法的流體動力學模擬軟件FLUENT對不同介質流速工況下的霧化氣體流場進行了耦合數(shù)值模擬,得到了淬火介質流體的速度場、壓力場的分布和規(guī)律,并確定了淬火應力場的氣壓邊界條件。流場模擬結果表明：隨著霧化氣體進口流速的增大,工件附近淬火介質的流速和壓力也變大；在相同氣流進口速度的情況下,在淬火箱內筒壁面與導流環(huán)間距離較小,且導流環(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)實驗裝置結構優(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構淬火箱的流場模擬結果,獲得了淬火箱的結構工藝優(yōu)化參數(shù),對淬火設備進行了改進,并以此設備進行了大量的霧化氣體淬火實驗和研究工作。設計了試件霧化氣體淬火、連續(xù)冷卻曲線采集、殘余應力測試以及淬火介質流速測試的實驗方案,并進行了相關實驗,獲得了相關模擬計算的依據(jù)數(shù)據(jù),同時還根據(jù)實驗結果對模擬和計算結果進行了對比驗證,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逆問題,獲得多因素影響作用下的應力場傳熱邊界條件一表面綜合換熱系數(shù)。研究結果表明這是一種由內部某一已知量來確定邊界條件進而研究多參數(shù)耦合效應的有效研究思路和方法。(5)霧化氣體淬火應力場數(shù)值模擬和殘余應力場測試研究。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,施加相應的位移邊界條件并導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力進行了測量并采集實驗數(shù)據(jù),將數(shù)值模擬計算結果和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析,結果表明,淬火殘余應力的有限元數(shù)值模擬計算和實驗結果較吻合,表明本文對霧化氣體淬火時的應力場數(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)應力場模擬研究。利用已經證明是正確有效的淬火冷卻時應力場的有限元求解方法,模擬計算了復雜形狀的腹板式齒輪在霧化氣體淬火過程中的瞬態(tài)應力場,得到了齒輪應力場計算結果曲線和三維表面和切片截面的應力場云圖變化情況,較直觀的展示了齒輪內部應力分布和變化情況,模擬結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]:......
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG156.3

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