感应热处理工艺数值分析与快速奥氏体化动力学研究

摘要

感应热处理具有加热效率高、速度快、易控制、热惯性小和易组成自动生产线等优点,广泛应用于曲轴、凸轮轴、轴承、导轨和钢板等零件或原材料的表面硬化加工。感应加热过程的计算机模拟,不仅能获得工件和线圈中温度场、电磁场和固态相变等物理场的变化规律,还能减少实验成本,为工艺优化、线圈和导磁体设计等提供指导意见。但国内外目前尚未建立完善的包括电磁场、温度场和固态相变甚至工件性能预测的数值模拟模型及手段。
　　本文首先研究了感应加热过程下的快速奥氏体化相变动力学问题。在简要回顾JMAK动力学模型后,本文介绍了新近发展的基于JMAK模型的扩展解析动力学模型。随后提出了新的动力学参数确定公式和基于迭代思想的参数确定流程;同时,成功将混沌粒子群优化算法应用于数值拟合法确定动力学参数。根据42CrMo钢的奥氏体化膨胀实验数据,使用上述两种方法确定了动力学参数,得到的参数描述的动力学特征与实验值相吻合。
　　其次,本文还使用有限元模型模拟了圆柱形工件的感应热处理过程。结合上述动力学结果,此模型预测了工件的电磁场、温度场和组织场转变过程。实验获得的升温曲线、金相组织和硬度结果与模拟获得的温度变化和组织分布结果很接近,证实了本模拟模型的有效性。
　　上述结果证明本文的数值模拟方法和动力学理论具有预测真实工艺下的温度变化和组织转变的能力,为进一步探索感应热处理计算机数值模拟打下基础。

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第一章 绪论

1.1 感应热处理工艺背景

1.2 感应加热简介

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要内容

第二章 感应加热原理与数值模拟

2.1 电磁场模型

2.2 温度场模型

2.3 感应加热的特征

2.4 感应加热模拟原理与方法

第三章 奥氏体化动力学模型和验证

3.1 JMAK模型回顾

3.2 扩展解析动力学模型简介

3.3 解析推导法及改进

3.4 数值拟合法及改进

3.5 相变动力学参数拟合和验证

第四章 感应加热模拟和实验研究

4.1 感应加热二维有限元模拟

4.2 感应加热实验验证

4.3 分析与讨论

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

附录A 计算算法源代码

参考文献

致谢

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