数值模拟在大模块及轴承钢淬火研究中的应用

《数值模拟在大模块及轴承钢淬火研究中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要摘要本文基于传热学、材料学以及力学的相关理论，以非线性有限元法为手段，对淬火过程中的温度、组织与应力／应变进行数值模拟与实验研究，着重讨论了淬火介质的表面换热系数，温度场、组织场和应力场的耦合建模，相变塑性等问题。并与生产实际相结合，对淬火模拟的实际应用进行了有益的探索。对淬火介质的表面换热系数进行了较为准确的测算。改进了由探头、热电偶、补偿导线、放大及通道选择卡、多通道数据采集卡、工业控制机等部分组成的淬火温度数据采集系统，该系统可以对淬火温度进行快速的实时数据采集，采集的数据以曲线的形式显示并存贮，具有常用的数据处理功能。使用该系统对静止与循环水、淬

2、火油及12％Feroquench淬火剂淬火过程中的温度数据进行了采集，并使用反传热法计算了以上几种淬火介质的表面换热系数。淬火油最大换热系数最大值在4000W／m2K左右，其对流换热阶段开始得较早，在350℃以下已不再发生大的变化。12％Feroquench淬火剂的最大换热系数值约为8000W／m2K，其冷却特性接近于油。从换热系数曲线上看，25℃静止水的表面换热系数的最大值出现在250～350℃温度区间范围内，最大值约14000W／m2K，特征温度约为450℃；在生产现场的淬火水槽(尺寸为4．5x7．5x4mm3)中测定的循环水的最大换热系数值比静止水稍大

3、，约为16500W／m2K，特性温度也略有提高。本文开发了一种表面包覆耐火保温材料的端面淬火装置，用来评定中高淬透性钢的淬透性。该装置只在试样端面处进行喷水淬火，其它表面包覆于耐火保温材料中。这种方法大大降低了试样远离水冷面处的冷速，从而可以获得很宽的冷速范围(O．03～100'C／s)。采用模拟与实验相结合的方法，建立了这种端淬试样的端淬距离与冷却速度、端淬距离与淬火及回火硬度、以及淬火硬度与回火硬度、冷却速度与淬火硬度的关系，并由此给出了一种可预测大锻件硬度与组织的方法。同时，采用二维轴对称的温度一组织一硬度耦合模型对表面包覆耐火保温材料的端面淬火方法进

4、行了数值模拟。温度场和组织场的模拟考虑了多种因素的影响，包括物性参数随温度和相组成的变化，相变潜热以及水淬面的换热系数变化等。温度场的计算结果表明表面包覆耐火保温材料的端淬法可以获得比标准端淬法更宽的冷却速率：组织场的模拟结果表明，在冷却7200s后，P20端淬试样内存在马氏体、贝氏体、铁索体和珠光体；718端淬试样内仅存在马氏体和贝氏体；硬度场的模拟选用Mayiner经验公式，考虑了组织和冷却速度对硬度的影响。金相观察和硬度测定结果表明上述模拟结果基本正确。结合工厂的生产实际，本文对两种大型塑料模具进行了淬火工艺辅助设计。用上海交通大学博士学位论文数值模拟

5、的方法分别计算了采用淬火油、Feroquench淬火剂、盐水和循环水淬火时P20钢大模块的温度与组织变化，指出淬火油和高聚物淬火剂的冷却能力较小，不适用于大型塑料模块的淬火。盐水的冷却能力虽然很强，但很容易造成淬火开裂，因此在实际淬火过程中，选用水作淬火介质。本文同时讨论了淬火剂的特征温度和搅拌对淬火过程的影响。指出大型零件与中小型零件淬火的不同，选用低温下冷却能力强的淬火介质反而可以增加大型零件的淬透深度。采用三维有限元模型模拟了P20钢大模块的空气预冷淬火和预冷淬火自回火工艺及718钢大型模具的空气预冷和浸水预冷淬火工艺。指出空气预冷对P20钢大模块来讲

6、，可以在模块边角处生成一定数量的珠光体，从而减小了淬火开裂的危险性。此外适当的预冷可使大模块次表层在奥氏体最不稳定区的冷速增大，在不避免开裂的同时还有可能略微增大硬化层深度。自回火不但可以降低已转变马氏体和贝氏体的脆性，减小组织应力，是减小淬裂危险的另一重要措施。两种工艺已在试生产中取得预期的效果。为了准确地模拟淬火应力场，本文利用已有的不同拉应力和压应力水平下GCrl5轴承钢试样直径变化与温度的关系曲线，根据修正的Greenwood-Johnson模型和考虑应力影响的马氏体转变的相变动力学得到了GCrl5马氏体转变时的相变塑性彤。指出足值随温度的下降而增大

7、，其值集中于1×10“一3×10-7仃一50)mm2／N与5×lO’1—3×10—7fr一50)mm2／N之间。采用热弹塑性模型对GCrl5钢同心和偏心圆柱体的淬火应力进行了研究。计算过程中考虑了温度、组织与应力／应变场的耦合。在马氏体量的计算过程中，考虑了K．M公式中参数口值的随外加应力的变化。GCrl5同心圆柱体油淬过程的二维轴对称模拟结果表明，淬火过程中圆柱体外表面的冷速大于内表面，热应力和组织应力的共同作用使工件的内应力发生多次反向，最终获得马蹄状的应力分布。在模拟无限长偏心圆柱体的淬火应力时采用了平面应变模型。模拟结果表明，在冷却开始时．热应力使圆

8、柱体的薄壁部分从表面至中心都受拉应力的作用，而厚壁中