重轨淬火过程的有限元分析

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1、第2页武汉科技大学硕士学位论文实时测量是很困难的。想要掌握整个工件的状态，要等工件空冷至常温之后对其进行切割才能研究。在造成有限资源显著浪费的同时，所得到的结果也存在一定的局限性。在生产实践中，通常是选用猜想．反驳法来解决相应的问题。由淬火引起的热应力与变形长期以来总是干扰着热处理工作者，是妨碍机械精密制造的主要因素之一。热处理技术人员长期以来就关注淬火时的应力分布情况。传统的热处理工艺技术已不能满足现代机械工业的发展要求，运用计算机技术对热处理工艺进行改造已渐渐成为当前的发展趋势。在当前发展趋势下，将热处理过程进行数学化建模并利用计算机进

2、行数值模拟获得了广泛的关注，已经成为目前世界各国的研究前沿。计算机科学的快速发展为计算机作为一种辅助工具应用于工程领域提供了强有力的支持，与此同时，淬火技术与计算机的结合也应运而生。所谓数值模拟就是根据物理模型来描述其数学模型，同时应用计算机来求解各种物理场量。对淬火过程进行数值模拟是应用传热学和数值计算等对温度场、应力场、显微组织三者进行耦合求解，得到温度、应力、显微组织对应每个时间点的定量分布情况，探讨不同工况下各种物理场的分布规律，同时据此有效地制定出最优工艺。尽管此数值模拟难以直接描绘出应力分布、组织分布和工艺参数三者对应的数学关系

3、，但它可以对工件的各种物理场进行耦合求解，能查看任一时间点场量，比如温度、应力和组织场，同时能直观地观察各物理场量在淬火时的变化情形。数值模拟只需要与数学模型相一致。所以，如果根据某一数学模型编制程序模拟试件，如果其模拟结果与实测结果相吻合，那么就可以根据实际工件的现场工况条件进行模拟计算，其结果是可靠的。因此，在节省人力、财力与时间的情形下全方位地分析工件，同时对淬火工艺与机械性能进行评估，最终得到最优的淬火技术路线，显著提高淬火工艺设计效率。1．2淬火过程的数值模拟的国内外研究现状(1)感应加热的优势重轨淬火的加热部分采用感应加热，同传

4、统的重轨淬火工艺比较，感应加热快速热处理在以下方面具有明显的优势13]：1)改善材料的机械性能，强化重轨的表面质量。由于感应加热重轨升温速度快，而且在奥氏体化温度下停留时间短。因此，可以获得细晶粒的淬火组织。这种细晶粒组织具有很好的机械性能，这是常规热处理技术难以比拟的，而感应加热能显著改善重轨机械性能的显微组织。由于升温快且高温停留时间短，大大缩短了高温重轨表面与大气的作用时间，从而减少了重轨表面的氧化，并防止了脱碳现象的发生，显著地改善了淬火重轨表面质量；2)缩短重轨热处理周期，节约能源。感应加热通过振荡电路的感应线圈，向被加热钢轨提供

5、强大的电阻热能，是传统油气燃料炉中辐射与传导加热的100倍以上。生产实践证明：以温度换取保温时间的措施，对重轨淬火是有效的；3)改善工厂现场加工环境，降低有害污染；感应加热热处理过程中，不产生对人体有害的“三废”，为绿色环保型热处理工艺；4)更容易实现机械自动化。感应加热时，材料的热处理温度是通过测量材料温度来自武汉科技大学硕士学位论文第3页动控制加热功率。(2)重轨淬火数值模拟的内容重轨淬火过程就是温度、应力应变与相变三者相互作用的耦合过程14]，如图1．1所示。图1．1淬火过程的温度场与流场、组织和应力场的耦合关系其中，①～⑨分别代表如

6、下含义：①淬火重轨温度场受淬火介质的温度场与流场的影响；②淬火重轨的温度场则反过来对淬火介质的温度场与流场产生影响；③不同温度的钢材对应不同的显微组织，淬火重轨不同的温度场产生不同的显微组织；④不同的显微组织所对应的热焓值不同，当相变发生时，则定将伴随有潜热的吸收和释放，即为相变潜热，会对淬火重轨温度场产生影响；⑤重轨显微组织与其应力应变的关系：由于各相的密度不相同，重轨显微组织发生变化时，必然引起内部发生显微膨胀收缩，重轨内部各区域温度变化不一致，其显微组织变化不同步，各区域的膨胀量也不相同，因此在重轨内部会引起组织应力与应变；⑥应力、应

7、变场则反过来作用于组织变化。例如，由于应力的影响，重轨显微组织的等温与终了转变时间会发生变化，同时会引起相变塑性等；⑦应力、应变场反过来影响温度分布：所产生的应力会引起重轨形变，出现做功过程，即形变功，形变功主要以热能的方式散失。如果非弹性应变比较大，温升明显，进而对重轨的温度分布产生影响；⑧淬火重轨温度场对应力和应变场的影响：由于重轨温度分布不一致而导致温度梯度产生，那么各区域的变形量则不相同，因此热应力与热应变就会产生。第4页武汉科技大学硕士学位论文另外，重轨淬火过程中的不同组织的力学性能(比如泊松比、屈服强度与塑性模量等)、热物性(换

8、热系数、定压比热和热传导系数等)都是温度的函数，因此，它是一个复杂的非线性问题，从而对重轨的温度与应力场进行探究比较困难。所以选用合适的方法对重轨淬火过程中的温度场、应力场和组织