重轨轨端淬火温度场和组织场的数值模拟研究

摘要

我国经济持续、快速发展带来的铁路货运量的不断增大，促使列车的载重量和运行速度不断提高，为了满足高速、重载火车运行的需要，重型、无缝钢轨得到越来越广泛的使用。钢轨轨端热处理作为提高重轨性能的最后手段而得到普遍的重视，而感应淬火是重轨全长淬火中广泛采用的热处理方法，随着对其工艺与精度要求的不断提高，对感应淬火进行数值模拟就显得更加重要。通过数值模拟不但能反映重轨感应加热时内部电磁场，温度场和组织场的变化规律，而且可以减少试验成本，对重轨淬火工艺参数的选择具有实际指导意义。本文以为60kg/m的重轨为研究对象，建立有限元分析模型，运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程，对重轨的感应淬火过程进行数值模拟。模拟结果与实验结果吻合良好，说明了数值模拟的有效性。
　　 首先，在考虑重轨感应加热过程中包含多种介质(工件、感应线圈、空气)和多种场(电磁场、温度场)的基础上，利用顺序耦合的方式，对加热、保温过程中温度场分布进行计算。为使计算精确，在此过程中，充分考虑了材料各物性参数随温度变化情况和相变潜热及材料铁磁性转变温度的影响。并对加热温度和加热时间等主要数据进行试验验证，结果证明加热、保温过程的数值模拟是合理的。
　　 其次，通过加载轨端与介质的对流换热系数，对重轨喷风冷却过程中的温度场分进行布数值模拟，并根据U71Mn钢的CCT曲线得出其相变温度。根据关键点的降温拟合曲线计算出了重轨轨端在相变点的冷速，通过与各组织的临界冷速进行对比，预测了重轨轨端最终的淬冷组织，试验结果表明预测结果是正确的。
　　 最后，讨论了为尽量减小淬火过程中产生的热应力，重轨利用自身的温度进行回火并在空气中自然冷却的情况，并对此过程中的温度场进行了数字模拟。
　　 本文模拟了重轨轨端感应加热、保温、喷风冷却和空冷，并应用经验公式和CCT曲线图计算出了最终的淬火组织，从而完整地模拟了重轨轨端淬火的完整过程。在模拟结果的基础上，通过反复调整模拟过程中所赋的各个参数来得到所需的淬火组织。在生产中，可以应用此方法指导制定各种参数，并预测按此参数淬火的结果，对重轨轨端淬火工艺的选择具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2淬火过程计算机模拟的内容

1.3淬火过程计算机模拟的现状和发展趋势

1.3.1国外淬火过程计算机模拟的现状

1.3.2我国淬火过程计算机模拟的现状

1.3.3淬火过程计算机模拟的发展趋势

1.4本文的主要研究内容

1.5本章小结

第二章淬火过程温度场和组织场数值模拟的理论基础

2.1淬火温度场计算的理论基础

2.1.1电磁场基本理论

2.1.2集肤效应

2.1.3电流穿透深度

2.1.4电磁感应加热机理

2.1.5感应加热的能量参数

2.1.6感应加热的实现方式

2.1.7感应加热温度场计算的数学模型

2.2淬火组织场的计算机预测模型

2.3对流换热系数的计算

2.3.1换热过程

2.3.2换热系数的求解方法

2.4基于有限元方法的数值模拟

2.5本章小结

第三章感应加热温度场的数值模拟

3.1轨端淬火有限元模型的建立

3.1.1轨端淬火工艺分析

3.1.2轨端材料物性参数的选择

3.2定义轨端约束条件并加载求解

3.3温度场模拟结果的分析验证

3.3.1不同感应加热时间对轨端淬火性能的影响

3.3.2加热温度对轨端淬火性能的影响

3.4本章小结

第四章重轨轨端淬火组织场的预测与检验

4.1淬冷工艺的选择

4.2对流换热系数的确定

4.3轨端冷却CCT曲线的测定

4.4定义轨端淬冷过程载荷并求解

4.5轨端淬火冷却速度的计算

4.5.1钢轨各组织临界冷却速度

4.5.2各关键节点的冷却速度

4.5.3组织场预测

4.6计算结果验证

4.6.1不同冷速下的金相组织

4.6.2结论

4.7空冷阶段轨端温度场分布

4.8本章小结

第五章全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的主要成果

致谢