CNG大气瓶亚温淬火热处理过程数值模拟与实验研究

摘要

CNG大气瓶的承载压力高，长期工作在“加载-卸载”的疲劳环境中。由于CNG大气瓶具有尺寸大、质量大的特点，其热处理工艺往往十分复杂。淬火过程是CNG大气瓶热处理工艺中最为重要的环节，对其最终热处理质量和使用性能起着关键性作用。数值模拟技术可以准确逼真的模拟热处理工艺生产，预测工件的热处理质量，为CNG大气瓶的热处理工艺制定与生产工艺优化提供了一种有效研究方法。
　　首先，通过查阅文献获得了CNG大气瓶用30CrMo钢的高温力学性能及其不同组织在不同温度下的比热等物性参数，并通过利用材料的CCT曲线和TTT曲线计算了30CrMo钢的Leblond模型和Koistinen-Marburger模型相变参数，为后续数值模拟研究提供了基础数据。
　　接着，考虑了CNG大气瓶在热处理过程中温度-组织-应力三者间的相互耦合关系，并考虑了热物性参数、相变潜热、相变塑性等因素对热处理过程的影响，建立了CNG大气瓶在热处理过程的数学模型。
　　然后，利用CAD和CAE软件平台，建立了CNG大气瓶的三维几何模型和有限元模型。进而利用有限元软件平台SYSWELD，结合大气瓶实际热处理生产工艺特点，在采用“内外表面同步喷雾”的槽外淬火工艺基础上，对CNG大气瓶的传统淬火工艺和新型亚温淬火工艺进行了数值模拟，分析了淬火过程中气瓶瓶身内各特征节点的温度、组织和应力的演变。
　　最后，针对大气瓶强度满足需求但韧性不足的问题，探究了亚温热处理工艺和传统调质工艺对大气瓶相关力学性能的影响，对该CNG大气瓶提出了SQ-T、Q-SQ-T和Q-T-SQ-T三种亚温热处理工艺方案，并对这三种工艺方案进行了物理模拟，通过拉伸试验、冲击试验、扫描电镜、能谱仪分析等手段，测试了物理模拟后30CrMo钢试样的力学性能、显微组织和元素分布等。实验结果表明，调质态试样经亚温热处理后出现了细小的马氏体和铁素体组成的双相组织，其综合力学力学性能较好。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 大气瓶研究现状

1.3 热处理过程的数值模拟

1.4 热处理过程的物理模拟

1.5 亚温淬火工艺

1.6 本文研究的主要内容

第2章 大气瓶热处理过程数值模拟的数学模型

2.1 温度场计算的数学模型

2.2 组织场的数值模拟

2.3 应力场的数值模拟

2.4 本章小结

第3章 CNG大气瓶用钢物性参数及其淬火工艺

3.1 30CrMo钢的基本参数

3.2 相变动力学的模型参数

3.3 30CrMo钢材料数据库

3.4 大气瓶淬火工艺

3.5 数值模拟软件SYSWELD

3.6 本章小结

第4章 CNG大气瓶淬火过程的数值模拟

4.1 CNG大气瓶数值模拟模型的建立

4.2 基本假设

4.3 求解器参数选择

4.4 淬火过程的数值模拟

4.5 气瓶变形结果分析

4.6 本章小结

第5章 CNG大气瓶热处理过程物理模拟

5.1 热处理工艺物理模拟实验

5.2 材料力学性能试验

5.4 金相分析

5.5 SEM测试与EDS分析

5.6 本章小结

结论

参考文献