T10钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究

摘要

为了深入研究金属及合金高压气体淬火技术的理论及应用情况，预测工件高压气体淬火后的性能，论文结合力学、传热学、材料科学和计算机科学等学科知识，从T10钢高压氮气淬火实验出发，对金属及合金高压气体淬火过程进行了理论研究和数值模拟。 论文从高压气体淬火工艺的工业应用情况出发，综合分析了高压气体淬火技术的发展现状、高压气体淬火数值模拟的研究现状；主要研究了金属及合金工件高压气体淬火时非线性导热的基本情况和相关的数学模型；模拟计算了T10钢高压氮气淬火时工件内相成分变化情况和相变潜热释放量；计算了工件高压氮气淬火时的表面综合换热系数；研究了T10钢工件高压氮气淬火时的淬冷温度场和热应力场；测试了T10钢工件高压氮气淬火时的冷却曲线、工件淬火后的硬度；观测了淬火后工件中的微观组织；比较了T10钢在不同氮气压力下淬火时的情况，讨论了主要研究结果和结论。 实验研究结果表明：1.T10钢高压氮气淬火时，工件的内外温差小，相应的热变形和热应力也较小，淬火后工件表面清洁，表面质量好；2.随着氮气压力的提高，气体的冷却能力、工件的冷却速度、工件淬火后的硬度等都得到了不同程度的提高。 理论研究和数值模拟研究的结果表明：1.应用有限差分法、非线性估计法以及实验测试结果，能够实现金属及合金高压氮气淬火时耦合相变效应情况下的表面综合换热系数的计算。计算结果表明，除相变阶段外，高压氮气淬火时的表面综合换热系数比较平稳，随着氮气压力的提高，表面综合换热系数呈总体增大趋势。2.应用材料的TTT曲线、Johnson-Mehlhe动力学计算式和Avrami动力学计算式所建立的金属及合金相成分计算模型能够实现金属及合金材料高压气体淬火时相成分的数值模拟计算。3.利用ANSYS有限元分析软件可以实现金属及合金材料高压气体淬火冷却时耦合相变因素情况下的温度场、热应力场和残余应力的模拟计算。 数值模拟结果与实验结果的比较分析表明：T10钢高压氮气淬火时的数值模拟结果与实际情况相吻合。高压氮气淬冷温度场的有限差分法计算结果和ANSYS有限元分析软件计算结果与实测结果吻合较好。相成分模拟计算结果与实际情况比较吻合。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

昆明理工大学学位论文原创性声明和关于论文使用授权的说明

第1章 绪论

1.1高压气体淬火技术的发展现状

1.1.1高压气体淬火的特点

1.1.2高压气体淬火设备的发展情况

1.2影响高压气体淬火技术的主要因素

1.2.1工件和淬火气体的温度差

1.2.2工件的表面积和重量

1.2.3总传热系数

1.2.4淬火气体的种类和物理性质

1.2.5淬火气体的压力和流量

1.2.6淬火气流对工件的入射角度和湍流的影响

1.3高压气体淬火数值模拟的研究现状

1.4论文研究课题的提出

1.4.1课题的来源

1.4.2选题的依据及意义

1.5论文的总体思路和主要研究内容

1.5.1论文的总体思路

1.5.2论文的主要研究内容

1.5.3论文研究的主要创新点

第2章 淬火时热传导的基本原理和数学模型

2.1淬火时热传导基本原理

2.1.1淬火时热传导方程的建立

2.1.2淬火时热传导的初始条件和边界条件

2.1.3金属及合金的热物理性能参数

2.1.4金属及合金淬火时相变潜热的计算

2.2热传导方程的求解方法

2.2.1金属及合金淬火时导热问题的分析

2.2.2淬火时非线性热传导问题的求解方法

2.2.3逆解法求解非线性导热问题的思路

2.3淬火时非线性热传导控制方程组的有限差分格式

2.3.1非线性热传导方程的显式有限差分格式

2.3.2换热边界条件的显式有限差分格式

2.3.3非线性热传导控制方程组的显式有限差分格式

2.3.4非线性热传导控制方程组显式有限差分格式的稳定性

2.4本章小结

第3章 淬火冷却曲线及淬火后材料部分性能测试

3.1金属及合金淬火过程中冷却曲线的测试

3.1.1淬火实验设计及实验材料

3.1.2实验试件及仪器

3.1.3实验方法及过程

3.1.4淬火冷却曲线测试结果

3.1.5淬火冷却曲线测试结果分析

3.2金属及合金试件淬火后部分性能的测试

3.2.1淬火后试件的硬度测试

3.2.2淬火后试件的金相测试

3.2.3淬火后试件的表面质量评价

3.3本章小结

第4章 淬火时表面综合换热系数的确定

4.1淬火过程中的相变过程

4.1.1金属及合金加热时的奥氏体化

4.1.2金属及合金淬火时的冷却转变

4.1.3相变动力学

4.2相成分模拟计算的数学模型

4.2.1连续冷却的数学模型Ⅰ

4.2.2连续冷却的数学模型Ⅱ

4.3相成分模拟计算结果与分析

4.3.1相成分模拟计算结果

4.3.2相成分模拟计算结果分析

4.4相变潜热释放量的模拟计算

4.5表面综合换热系数的确定

4.5.1非线性估计法的应用

4.5.2计算过程

4.5.3计算结果

4.5.4计算结果分析

4.6本章小结

第5章淬火冷却温度场的计算分析

5.1有限差分法计算淬冷温度场

5.1.1淬冷温度场的有限差分基本方程

5.1.2计算结果

5.2ANSYS软件计算淬冷温度场

5.2.1ANSYS软件计算淬冷温度场时的前处理

5.2.2计算结果

5.3不同方法计算结果分析

5.4本章小结

第6章 淬火时热应力场和残余应力的模拟计算

6.1热弹塑性问题的有限元模型

6.1.1热弹性问题

6.1.2热弹塑性问题

6.1.3弹塑性应力应变关系

6.1.4热弹塑性问题的求解

6.2热应力场的模拟计算及结果分析

6.2.1模拟计算的前处理

6.2.2模拟计算结果

6.2.3模拟计算结果分析

6.3淬火后残余应力的研究

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1论文研究内容的主要结果与结论

7.2论文中存在的不足

7.3金属及合金高压气体淬火技术的应用前景

7.4需要进一步深入的研究工作

致谢

参考文献

附录A T10钢0.6MPa氮气淬火时热应力场模拟结果

附录B攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文目录