（工程力学专业论文）T10钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究.pdf

陧明理上大学硕士学位论文t i o 钢高艇气体淬火过程中的数值模拟和应用研究 2 0 0 5 年4 月 ： = ! != ：! _ _ ! ! _ ! ：= = = ! = = ! ! ! = = = = ! = ! ! ! = = ! ! ! ! = = = 2 = ! ! = _ = 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 压气体淬火蘑豹性戆，论文结台力学、传热学、零孝糕辩学窝诗舞裁辩学等学辩黯 识，从t i o 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 论瞬究稳数蕊模掇。 浍文从简压气体淬火工芭的工妲应用情况出发，综合分析了高压4 气体淬火技 术翡笈震现状、高歪气俸淬火数鬣篌叛懿磊并究瓒状；主要磺究了金矮及合金工件 商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t 1 0 钢高 压氮气淬炙时工件内相成分变诧情况和稍交潜燕释放量；计算了工件高压氮气淬 火时的表面综合换热系数；研究了t 1 0 铡j i ：件高压氮气淬火时的淬冷瀛度场祁热 虑力场；测试了t i o 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缀织；比较了? 1 0 钢在不同氮气压力下淬火时的愤援， 讨论了主要研究结粜和结论。 实验研究结果表明：l 。t 1 0 镳裹压氮气淬火辩，工传敢内羚温差小，相应懿热 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， 。转的冷却熊力、】： 串的冷却速度、王传淬爽蜃瓣硬度簿都鼹爨了不阉程度斡提 高。 疆逡硬究_ 琴羹数壤模援磺褒戆终采表骥：1 应怒商爨麓分法、j 线性接诗法良 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 _ 蟊综合抉熬系数豹计算。计算结暴表明，除提交涂段羚，高匿氮气淬火辩豹袭嚣 综合换热系数比较平稳，随篇氮气压力的提高，表面综合换热系数呈总体增大趋 势。2 ，应焉辛才辩静t t t 鹜线、j o h n s o n t h l h e 动力学计算式和a v r a m i 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漳火 时襁成分的数值模撼计算。3 利稻a n s y s 有限元分祈软件可以实现金属及合金材 料高愿气体 搴火冷却时耦台相变因素情况下的湿度场、热应力场靼残余应力的模 拟计算。 数值模拟结果与实验结果蛇比较分攒液明：t i o 锶高压氮气淬火时款数毽模数 结聚与实际情况相吻合。高压氮气淬冷温度场的有限差分法计算结果和a n s y s 有 限元分极软牛计算缝果与实测结果唆合较好。穗成分模熬诗箕结暴与嶷薅馕援缝 t 摘要 较吻合。 笑键词：高压气体淬火；表面换热系数；温度场；应力场；数值模拟 i i 皂喁理工大学硬士学位论文t i o 钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究 2 0 0 5 年4 月 _ _ _ _ l _ l _ - _ _ _ - l _ _ _ _ _ - _ - - - - _ - _ _ l _ _ - _ 一 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa th a v i n gap r o f o u n ds t u d yo ft h et h e o r yo fm e t a l sa n d a l l o y sd u r i n gh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n ga n di t sa p p l i c a t i o n s ，a tp r e d i c t i n g t h e p r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa f t e rh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g m e c h a n i c s ，h e a tt r a n s f e r ， m a t e r i a ls c i e n c ea n dc o m p u t e rs c i e n c ea r ei n t e g r a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e e x p e r i m e n t so ft 10s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n g ，t h ep r o c e s s e so f m e t a l sa n da l l o y sq u e n c h e di nh i g hp r e s s u r eg a sw e r es i m u l a t e dw i t hn u m e r i c a l m e t h o d sa n dt h ec o n c e r n i n gt h e o r i e sw e r es t u d i e d f r o mt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g ，t h ef o l l o w i n g c o n t e n t sa r ea n a l y z e d t h ed e v e l o p m e n to fh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gt e c h n i q u e ， t h e d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o nh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g t h e n o n l i n e a rh e a tc o n d u c t i o np r o c e s so fm e t a l sa n da l l o y sd u r i n gh i g hp r e s s u r eg a s q u e n c h i n ga n di t s m a t h e m a t i c sm o d e lw e r es t u d i e d t h e p h a s et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s e so ft 10s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n gw e r es i m u l a t e d t h e p h a s ec o n s t i t u e n t s ，t h el a t e n th e a ta n dt h es y n t h e t i cs u r f a c eh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n to f t10s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n gw e r ec a l c u l a t e d t h et r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h e r m a l s t r e s sf i e l do ft10s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r e n i t r o g e nq u e n c h i n gw e r es t u d i e d t h ec o o l i n gc u r v e so ft 10s t e e lw o r k p i e c e sd u r i n g h i g hp r e s s u r e n i t r o g e nq u e n c h i n gw e r et e s t e d t h eh a r d n e s sa n dt h em i c r o s t r u c t u r e so f t h e s ew o r k p i e c e sa f t e rq u e n c h i n gw e r em e a s u r e d f i n a l l y ，t h eq u a l i t i e so ft 1 0s t e e l q u e n c h e db yd i f f e r e n tn i t r o g e np r e s s u r ew e r ec o m p a r e da n dt h em a i nr e s u l t so ft h i s r e s e a r c hw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sh a v es h o w n ：1 t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n i n n e ra n do u t e ro ft 10s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n gi ss m a l l ，a n dt h e c o n c e r n i n gt h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h e r m a ls t r e s sa r ea l s os m a l l t h es u r f a c eo ft h e s e w o r k p i e c e sa r es u p e r i o ri nq u a l i t ya f t e rh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n ga n dt h e s u r f a c eo ft h e s ew o r k p i e c e si sc l e a n 2 w i t hi n c r e a s i n go fn i t r o g e np r e s s u r e ，t h e c o o l i n gc a p a c i t yo fn i t r o g e n ，t h ec o o l i n gv e l o c i t ya n dh a r d n e s so ft h ew o r k p i e c e sa f t e r q u e n c h i n ga r ei m p r o v e d t u a b s r a c t =篇一紫：= 皇：= 燃= 兰黑= 糕= 糕= 繁= 拦= 拳芒篡= 拳= = 兰慧葛= 霉! 世篇端= = = 嚣 t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v es h o w n ：1 w i t h t h eh e l po ft h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h en o n l i n e a re s t i m a t em e t h o da n dt h er e s u l t s o fc o o l i n gc u r v e sm e a s u r e db yt h ee x p e r i m e n t s ，t h es y n t h e t i cs u r f a c eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tw h i c hc o u p l e dw i t hp h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so fm e t a l sa n da l l o y s d u r i n g h i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n gc a nb ec a l c u l a t e d d u r i n gh i g h p r e s s u r e n i t r o g e nq u e n c h i n g ，b e s i d e st h ep h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s s ，t h es y n t h e t i cs u r f a c e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti ss m o o t h w i t hi n c r e a s i n go fn i t r o g e np r e s s u r e ，t h es y n t h e t i c s u r f a c eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s i m p r o v e d 。2 。u s i n g t h et t td i a g r a m ， j o h n s o n m e h l h e s d y n a m i cc o m p u t a t i o n f o r m u l aa n dt h ea v r a m i s d y n a m i c c o m p u t a t i o nf o r m u l a ，t h ec o n t i n u o u sc o o l i n gm o d e lo fm e t a l sa n da l l o y sd u r i n gh i g h p r e s s u r eg a sq u e n c h i n gc a nb ee s t a b l i s h e da n dt h ep h a s ec o n s t i t u e n t so fm e t a l sa n d a l l o y sd u r i n gh i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n gc a nb ec a l c u l a t e d 3 t h ea n s y s s o f t w a r e w a su s e dt oc a l c u l a t et h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h et h e r m a ls t r e s sa n dt h e r e s i d u a ls t r e s sc o u p l e dw i t hp h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so ft 10s t e e ld u r i n gh i g h p r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n g 。 t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n th a v es h o w n ：t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t so ft 1 0s t e e ld u r i n gh i g hp r e s s u r en i t r o g e nq u e n c h i n gr e s p o n dt ot h ep r a c t i c a l s i t u a t i o n t h er e s u l t so ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t e db yf i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o da n da n s y ss o f t w a r ea g r e ew i t ht h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h ec a l c u l a t e d r e s u l t so fp h a s ec o n s t i t u e n t sa c c o r dw i t ht h ep r a c t i c a lp r o c e s s k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r eg a sq u e n c h i n g ；s u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 国家自然科学基金资助项目 金属及合金在高压气体淬火中的数值模拟及应用 项目编号：1o l6 2 0 0 2 教育部科学技术研究重点项目 金属及合金高压气体淬火时温度场及热应力场的研究 项目编号：2 0 4 13 8 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：7 袤多锑 日 期：20 0 5 年4 - 月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：o 印川 论文作者签名：丑壅丝 陀叫理t 大学硕士学位论文t t o 钢高服气体淬火过程中的数值模拟和应用研究 2 0 0 5 年4 月 第1 章绪论 金属及合金的高压气体淬火魁采用商压气体作为冷却介质对试件进行快速冷 却处爨的一糖耨型的嗣予改善誊季趱瞧链懿热燕王工艺。近三卡年来，莲着诗算 机技术、数饿计算方法和材料科学技术等相关领域的快速发展，同时也为了能够 较藉臻遮控剿淬炎过程熬】：艺参数，减少帮分实验工作，精确麓预测淬必后王俘 的性能，数1 ：赢模拟作为一种分析和优化实际系统行为的经济、有效的方法，在热 处王鼙方程褥到了广泛应矮”。”3 。 本章主嚣介绍商压气体淬火技术的发展现状、影响高压气体淬火技术的主要 戳素、商乐气镩淬火数值模拟的磷究现状、论文的选题依据以及论文瀚主要c 作 筹方颤的内容。 1 1 高压气体淬火技术的发展现状 随蔫现代科学技术及材料科学的不断发展，同时也为了找到对高速镪、模具 铜、合金钢等材科热处理的最佳途径，囝外于二十世纪七十年代初期开始研制高 压气体淬火设备进弦高压气体淬火技术的研究，并于，十年代聋刀翅进行大露积推 广应瑚，很快就赢得了热处理界的关注和欢迎“。”1 。近二十几年来，在油淬和压 力低予1 0 5 p a 憋气体漳火取餐丰富经验瞧綦礁上，孳 逑了疆力；耋；予1 0 5 p a 豹。体淬 火技术。f ；| 前，气体淬火的气体压力已高达2 0 ) ( 1 0 6 p a 以上“悼”“。我国从二：十 型：纪八十年代秀始，有关辜萼疆巯翳及囊空炉主要铡造厂家授入大量大力、浚力， 黄手开发研究内、外循环的高压气体淬火窦空炉。如首都航天机槭公司( 原首都机 辍厂) 疆铡鼹3 x 1 0 5 p a 高压豢流速囊空炉弱3 t 0 5 p a 羚锤环气体淬火真空炉“。这 些气体淬火真空炉在一定程度上满足了工模具行业的需要，但在实际工业应用中 或多或少静璧现出了不稳定瞧。 商压气体淬火技术的开始阶段是真空加压气淬，气体压力一般为1 3 。2 o x l 0 5 p a ，主要是为了满蹩航天、飞梳制造韭所潞的遐火、回火、固溶化、磁性处理、 钎焊以及大尺寸气冷钢的工、模具簿热处理的要求，提嵩了工、模具的淬火硬度 幂| 使精寿命。”。随着材料科学的不断发展以及世界制造业的需求，气体压力不断 提高，压力为( 5 0 6 0 ) 1 0 5 p a 的高压气体淬火技术可实瑗对较大尺寸截面的离遽 第1 章绪论 工具钢和马氏体铬钢刀舆及钛含金铸件的淬火，以便提高其硬度和使用寿命。 1 ，1 篙压气体淬火的特点 离压气俸淬火具有冷帮速度高，袋嚣不襞诧、甭瓒酸，淬炙均匀+ 蓬好，王 孛 变形小，生产效率高、成本低( 比盐浴炉低5 0 ) ，无环境污染，改善淬火工作环 境和易于控案l 淬火工艺参数等优点“”8 ”5 。”1 。 1 1 。2 鑫瘴气体淬火设备的发震蠖潺 研制离压气体淬火设备敕先躯者怒联邦德国的伊落森( t p s e n ) 公司，该公司于 1 9 7 7 年生产了第一台5 o x l 0 5 p a 压力的v t c 型气体淬火炉”。试验表明，用v t c 型n 俸漳火炉也可以达到跌兹哭憩用熬滏炉君毙达到毂高速镪凌女l 刀具掰要求的 临界淬火速度。因此，该炉型从1 9 7 9 年开始，在短短的七年时间里就有近百台被 镪簌欧潮、中末、近末、基本纛美国。继觉之露，伊普豢公司又磺涮瘙了燹翔先 进的v t t c 型气体淬火炉，实现了复杂模具的淬火，因而在销售领域又获得恩著成 功。 近十几年来，德国、日本、美国、英国、法国、荷兰、瑞典等国家的一些生 产热处瑾设备缀有名望豹厂家麓续研镧并出餐了更为完善幻高压气体淬火炉，出 现了v t c 、v v t c 、v t t c 、v t t c k 、h p q 、h f q 、v f s 、v c h 、v f h - 1 0 0 p t 、v u t k 、i v f 等 型号”珏”- ”。j 的新型高压气体淬火设备。我国于1 9 8 3 年舀行设计制造了第一 台加j k 气体淬火炉，压力为1 5 x 1 0 5p a 。1 9 8 5 年我因由美国g 进了一台压力为 1 3 1 0 5 p a 的加压气体淬火炉，1 9 8 6 年又由联邦德国引迸了台压力为5 1 0 5 p a 的 高鹾气体淬火炉。目前，我国北京华翔电炉技术有照责任公司、蕾都舷天搬蠛公 司、沈阳真空技术研究所和北京机电研究所等企业和科研单位”已能生产面向 蕊场的真空赢压气体淳火炉，压力可达5 x 1 0 5 p a 以上。 从国内外高压气体淬火炉的构造情况来看，无论是国外的还是园内的高压气 体淬火漫签，大钵是出粪空发生装置、趣热装霆、袁压气钵产生装疑、藏愿气终 喷射冷却祭统、高压气体循环冷却系统、炉体炉门开关、安全系统、电路系统和 诗舞祝鑫动控毒l 系统等忍个部分缀成“班”“。鬻殛气俸淬火设备集藏了高温 高压技术、真空技术、隔热技术、自控技术、电子技术和计算机技术，涉及r 许 多窥技零毛盈领躐。高歪气钵淬火设骜对其翔热帮冷帮炉麓豹要求较高，一般采 用不锈钢材料，用石墨和钼做加热元件。 2 昆珥理工大学碗上学位论文t t o 钠高匿气峰淬火过柱中的毂值幔钳u 应用面f 究 2 0 0 5 年4 月 1 2 影响高压气体淬火技术的主要因素 高压气体淬火的传热机理可描述为：淬火工件的热量通过赢接辐射到冷壁上 龇热传递和淬火气体流动时的对流传热带走，其中以对流僖热为主。因此，高压 7l 体淬火时，既有淬火工件内部的热传导、气体的流动传热、淬火工件与高压气 体表面间的表面换热，又有热辐剁。高压气体淬火时的传热过程是一个综合传热 过程，包含r 热传导、热对流和热辐剁等过程”。”“。1 。 影响高压气体淬火技术的主要因素有：工件和淬火气体的温度差、工件的表 i 积和蕈昔、总传热系数、淬火气体的种类、淬火气体的压力、淬火气体的流最、 淬火t 1 体的物理性质、淬火气流对t ：件的入射角度和端流的影响等“。”。6 5 。 1 2 1 工件和淬火气体的温度差 设工件淬火时的起始温度为l ，冷却后的晟终温度为一，则工件从淬火起始 温度t 冷却到最终温度l 所需的时间t 可由下式”“表示，即： f ：m c e t n 型l( 1 1 ) m ； 22 一? j ( j 1 ) 式中，m 表示淬火一一件的重量，单位为k g ；c ，表示淬火工件材制的定压比 热容，单位为j ( 幻) ；u 表示总传热系数，单位为w ( m ：) ；a ，表示淬火工件 的表面税，单位为m2 ：r ，表示淬火气体的温度，单位为。 公式( 1 1 ) 表明，提高冷却速度的一个途径是尽量降低淬火气体的温度。一旦 设定淬火气体的温度后，就只能通过改变竺生中的各个参数来提商冷却速度。 u a 1 2 2 工件的表面积和重量 由公式( 1 1 ) 可知，在参数项m c 一z e 中，通过降低工件的重量和增大表面积可 提高淬火速率，但这会受到经济效益和成本的限制，所以只能使总传热系数u 达 到最大才能提高淬火速率。 1 2 3 总传热系数 高压气体淬火系统的总传热系数u 可由下式”“来表示，即 高压气体淬火系统的总传热系数u 可由下式“”来表示，即 越螭理工大学鞭士学经论文 t 。销高压气俸淬火过程串嚣数蕊模撼帮瘟焉掰究 2 0 0 5 年4 篾 。= = = = ：= = # = = # = = = = # = _ = = = = = 2 = = = = = = ! _ = 1 2 影响高压气体淬火技术的主要因素 商压气体淬火的传热机理可描述为：淬火工件的热量通过随接辐射到冷蹙上 的热传递和淬火气体流动时静对流传热带走，其中以对流传热为主。因就，商压 ，t 体淬炎麓，溉有淬火工俘海部装热传导、气俸豹流动传热、淬火王俘与斋压气 体表嚣耀熬表露换热，又有热疆射。裹压气钵淬火时骢传热过程是一个练台传热 过程，包含了热传导、热对流和热辐射等过程“”。“。 影响高压气体淬火技术的主要因素有：工件和淬火气体的漩度箍、t 件的表 晡积和重尾、总传热系数、淬火气体的种类、淬火气体的压力、淬火气体的流量、 淬火气体的物理性质、淬火气流对工件的入射角度和湍流的影响等“h 4 “。5 | 。 1 2 1 工件和淬火气体的温度差 设工件淬火时静怒始溢度为王，冷却爱静最终温度为不，莉工件飘淬火起始 滚凄置冷勰到最终温度瓦鼹濡的黠阉 可崮下式”袭示，即： f ：坠l n 尘量( 1 1 ) u a ， ，2 一? ? ( 1 i ) 式中，m 表示淬火工件的重量，单位为k g ；q 表示淬火工件材料的定压比 热容，单位为( 船) ；u 液示总传热系数，单位为w l ( m2 - ) ；a 。表示淬火工件 的表面积，单位为m 3 ；l 表示淬火气体的温浚，翠位为。 公式( 1 1 ) 表朝，掇高冷帮蘧度酌一个途径是尽量降低淬爽气体的温度。一旦 殴定淬火气体的温度后，就只能通过改交百m c e 中的各个参数来提高冷却速度。 1 2 2 工件的表面积和重量 由公式( 1 1 ) 哥舞，在参数矮笔筹中，遴过辫低王 孛的霆羹霸增大袭西按可 提高淬火速率，但这会受到经济效益和成本的限制，所以只能使总传热系数u 达 到最大才能提高淬火速率。 1 2 3 总传热系数 离压气体淬火系统的总传热系数可由下式”5 1 寒表示，骶： 3 第1 牵绪论 u 2 两面1 孬，i 1 2 ) l ，a + d 2 冀。 ( 1 2 ) 式中，h 表示高压气体的表面综合换热系数，单位为州沏2 、) ；d 表示淬火 工掌 主要豁分酌惑径或心部浮发，单位为m ；童。寝示淬火工件酌热导率( 导热系数) ， 单位是w ( m ) 。 由公式( 1 2 ) 可知，禽压气体淬火系统的总传热系数由两个因索 炙定：。钼缀 元南1 i 匿气体的表面综合换热系数h 和圃梢传热( 2 兄，d 项) 。般说来，h 2 , i j p d ， 所以4 i 樽传热占主导地彼。部分文献摄道。”( “：，高压气体淬火时的农露缀合换热 系数h 与气体的流速和压力等工装参数相关，提高h 在一定程艘上可提高总传热系 数u 。如聚 擎火工件比较大( d 缎大) ，藏淬火工件麴传导性燕( 是馕小) ，则淳火 工他的导热决定传热过程，这时期使刹用混合气体鲫增太气体沆遮米提匙气相传 热系数h ，瞧甭鼹有效缝摄裹慈传热蓉数。 1 2 。4 漳火气体的釉类狸掳璎性质 对淬火气体的选择不仅要考虑淬火设备的特性、淬火冷却速瘦的要求、淬火 用气体的安全性等，而且还要考虑经济阂素。目前用于高压气体淬火技术的气体 主蜜有鬣、氮、熬、氲四秘中娃气体“”吖7 4 。 图1 1 ”5 1 为桶同压力下氢、氨、氮、氩四平巾气体的相对冷却率。由图l ，l 可 以发现，鬣、氨、氯、氩勰秽气体的鞠对冷龆宰依次辫低。文献 5 7 指爨，氢、 氦、氯、氪的热传导系数分别为：t 6 8 ，1 2 ，8 ，2 3 7 ，1 。6 3 ( x1 0 1w ( m ) ) 。躲 传热零锾之毙为：鞋。：h e ：n 。：a r = l o ：7 8 ：l 。4 ：l 。 踺l 。1 常霓气体衽对冷霉枣 支嫩 6 5 还曾搬出，在定澡度f ， 4 嚣赣，i - 銎1 。2 辐对冷帮率隧气体爨力壤魏褥增加 淬火气体的镄理性能决定了獒传热系数， i 册理1 大学碳士学位论文r 1 0 钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究2 0 0 5 年4 月 分了二量小的气体较分子量大的气体有较大的热容和热导率，从而分子量低的气体 易于快淬，从工件上吸热，增加传热速率。但分子量小的气体较分子最大的气体 需i 度低、动粘度大，在一定流速下，圳二者结合会导致冷却速率下降。表1 1 为各 种气体的热传导系数、气体分子直径和分子质量。 表1 _ 1 各种气体的热传导系数( 3 0 0 k ) 、气体分子直径和分子质量“6 热传导系数丑 气体名称 卡c m s k 分子直径 ( n n l ) 分子质量 ( g ) h 24 2 5 0 1 0 2 9 i 52 0 2 t t e 3 5 4 0 1 0 25 7 64 0 0 n =6 7 2 1 0 3 6 8 1 2 8 0 2 a r4 2 1 1 0 7 3 4 1 83 9 9 5 空气6 0 2 1 0 3 6 1 72 8 8 6 c 0 23 8 3 x 1 0 3 9 9 6 4 4 0 1 综上可知，氢的传热性最好，氦的次之，氮的较好，氩的最差。虽然如此， e 1 钢在氢中容易脱碳，氢又有爆炸危险，故一般不用。氦传热也快，可是价格昂 贵，般只有在配备气体回收装置的情况下使用，而气体回收装置又大大提高r 没各造价，故一般也不用。氮的传热能力较差，但能够满足冷却速度的要求，且 价廉安全，因此被广泛利用。须指出的是：在利用高压气体淬火技术处理钛合金 材料时，用氮作冷却介质有渗氮的危险。这时尽管氩比氮传热差又昂贵，也必须 用氲作冷却介质。 1 2 5 淬火气体的压力和流量 高压气体的流量取决于气体的压力p 和气体的流速v ，二者的结合决定总的 流量。提高总的流量可提高传热速率。高压气体淬火用气体的表面综合换热系数 可表示为1 ： h = c ( p ，v ) ，一一。( 1 3 ) ( 1 3 ) 式中，c 为常数；p 表示高压气体的压力，单位为p a ；v 表示单位体积流量： 为参数，一般情况下0 6 n 0 8 。 由公式( 1 3 ) 可知，提高气体压力和单位体积流量，表面综合换热系数 将会 梭n 次方增加。图i 2 “5 1 为相对冷却速率随压力增加的情况。图1 2 表明，传热系 数和气压的0 4 6 6 次方成正比。 第1 罐绪论 1 2 。6 淬火气流对工件的入射角度和湍流的影响 聚蠲窝压气体进行淬火热缝疆时，气流霉赢于工件表瓣韵滴流比平行予： 件 表露瓣爨流辱热簧浃褥多。这主要是在平彳亍豹气流中发璃工 牛表瓣。童有遴似层狄 的气体边界层，其厚度决定了传热的程度，增加气体流速可溅小其泽度，蘧直气 流渖，狞工件表面，使屡边彝浮发缩，j 、，从而增麴传熟”“。因诧，理想韵清况是在 j i 佟表耐的每一点都能产生湍流，但这是很湖雉的，特别是工件的儿何形状朱知， 又怒多种不同的工件时，这是不可能的。幽1 3 ”。为几枣 常见的气体流动方式。 霭l 。3 凡秘鬻瑟的气体漉魂方式 1 3 高蕊气体淬火数镳模拟的研究现状 对一些与熬处疆数学模型糖关静学幂卑，赫：有鞭元法、计算传热学、热弹塑 性理论、籀变原理、流场霸力学等所避彳亍的深入研究，为热处理计算机模拟技术 的笈铎芝掇供了望实麓基础。淬火过程的计算机模拟已受到熟处理界酌高度重视， 出版、发表了许多有价值的专藉和论文“”7 ”h 刚。 离 筏气体淬火过程涉及高温、高压，在商压气体漆火日亨进行程关的测试工 乍 比较闭难。为了进一步推进高压气体淬火技术的应用，准确预测工件高压气体淬 火后的隧能，定量研究聿才料高压气体淬火时其内部的交化谤况，减少部分实验磷 究内容，对高压气体淬火过程进行数值模拟具有重要的现实意义。 一翦，关于瘫压气体淬火的秘究“跗、7 “主要裳中在王艺、淡器秘糍关黪实验等 方艇，丽关于赢压气体淬火数健模拟的研究缀少。关于裹愿。t 体淬火技术较袁 弋 表。藏鞠研究骞：l 。爨本枣祭敏夫、由媾熬弘等入镑对具有气体淬火功魏静囊空 热处理炉，就有关影响冷却速度憋主要躐素及冀器黢，从传热工羲学蠡冬躐点佟了 麓簧说明，劳绘出了提离冷却逮液翡手段。2 酃牵铭、陈溢等人8 “4 荆虢弛何提高 高压。i 体囊空淬火炉的翅熬系绫、淬火室熬王俸效率，获黧热系绫秘淬火室豹设 6 昆啦理工大学硕士学位论文7 n o 钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应 1 j 研究 2 0 0 5 年4 月 训方面作了详细阐述。3 张伟、莫卫红、刘忠秋等人”3 用真空高压气体淬火炉对 低合金超高强度钢3 0 0 m 进行了热处理试验研究，并对试验后的淬透性、力学性能、 冷却速度等方面与油淬做了比较分析。4 ，王孔巨、a 1 i a nk a y 等人”“”就真空高 服气体淬火炉的淬火性能评价而进行了相关的实验研究。5 王宝霞、喻子建、杨 森、宋晓平等人”5 。介绍了在气体系统中影响冷却速率的参数，讨论了混合i 体 作为淬火介质的情况，概述了采用循环气体淬火系统有关的各个因素，并对真空 高压气体淬火的未来前景做_ r 预测。6 卢志文、吴希让、温树德等人。4 “”1 应用计 算流体动力学方法，建立了真空炉高压气体淬火的计算机模型，分析了真空炉主 曼， 艺参数对淬火工艺的影响以及真空炉设计优化的一些措施。关于高压气体淬 火数值模拟的研究主要有：1 程赫明、何天淳、谢建斌等人”“”。0 1 应用有限差分 娘理和实验研究方法对钢高压气体淬火时的非线性导热问题和表面综合换热系数 进行了研究并考虑了相变的影响。2 澳人利亚i f l k a t a t n y ，y m o r s i ，a s b 1 i c b l a u 等人”采用计算流体力学的方法，对大型h 1 3 模具高压气体淬火过程的 温度场进行了模拟，并与实验结果进行了比较分析。3 美国z l i ，r v g r a n d h i ， l s h i v p u r i 等人”“采用响应面方法得到了高压气体淬火时的表面换热系数，并 刈高压气体淬火后的材料性能做r 定量分析。 综合以上关于高压气体淬火研究现状的分析可知，高压气体淬火数值模拟的 相关研究是一个比较新的研究领域。 i 4 论文研究课题的提出 1 4 1 课题的来源 论文研究课题源于国家自然科学基金资助项目“金属及台金在高压气体淬火 1 1 的数值模拟及应用”( 项目编号：1 0 1 6 2 0 0 2 ) 和教育部科学技术研究重点项目“金 属及合金高压气体淬火时温度场及热应力场的研究”( 项目编号：2 0 4 13 8 ) 。 1 4 2 选题的依据及意义 由于高压气体淬火技术具有众多的优点，国外在一些对材料淬火处理质量要 求较高的领域，己用高压气体淬火技术代替传统的油淬火和盐浴淬火，而国内关 于高压气体淬火技术的研究与应用基本上处于起步阶段。另一方面，金属及合金 材料的淬火工艺包含了热、微观组织成分和力学等几种现象的耦合作用。节今为 嚣l 章缝诧 止，材料淬火全过程的稠成分连续控制、微观组织连续变化分析还较困难，热应 力翻热应变运无法溺萋。阑此，鼗德模叛技术是入们避一步了解高压气体淬火技 术熬一螽有效载途径。 论文结合力学、传热学、燃料科学翻计舞攫科学筹学科知识，憋热弹性理论 应用剑商压气体淬火中，对金属及合金树料的高压气体淬火过程进行数值模拟和 相关研究。通过研究影响高压气体淬火模拟计算精度的主要因素一表面换热系数， 可从微观本质上研究高压气体淬火技术，将宏观与微观结合起来，使高压气体淬 火技术理论纯、系统化，定量魂研究高压气体淬火技术，从而加深对高压气体淬 火技术的议谖，为改变高压气体淬火理论磺究落后于应用研究的现实情况散些基 础f 佧，进一步攒进襄压气镕漳火技术瓣发鼷及应用。 1 5 论文的总体思路和主要研究内容 l 。5 。1 论文的总体思路 沦文从金属及合金高臌气体淬火时的热传导錾本方程出发，针对边界条件未 知的情况，依据能量守恒原理建立相应的边界条件求解模型，利用实验研究、有 陵差分法帮菲线谴估计法计算边界条件中的表面综合换热系数，求解导热逆问题 缮到边器条件：然磊以菲线性导热方程和边界条侔为基础，焉有限差分法和a n s y s 奇照，7 i 分析软l 牛对材料裹匿气体淬火聪的湿度场遴幸亍模拟计算，用a n s y s 寄陵元 分析软件对材料高压气体淬火时的应力场和残余应力遴行模拟计算。考虑到舞压 气体淬火时材料内部热、力和组织转变的相互耦台关系，应用相变动力学、捌料 的t 阿曲线和数学变换建立淬火时材料内相成分模拟计算的数学模型，研究高压 气体淬火时材料内的褶受和相变潜热释放情况。 为了验证高匿气体淬火冷却过程数值模拟的准确性，浍文闱试件的冷却曲线 测试实验、淬火瑶麓耀成分、硬度等测试实验对数值模j 耋l 结果遗行了校验。 1 5 2 论文的主要研究内容 旗子论文的总体思路，论文主要徽了以下几个方嚣鼹研究王俦： 1 5 2 1 疆论谤究内容 1 ，依据能艇守恒原理建立了金属及台金高压气体淬火时的非线性：换热边界条 比叫理工大学硕士举位论文t i o 制高胀气体淬火过程中的数值模拟和应用研究 2 0 0 5 筚4 月 件的数学模型； 2 ，基于鼹式有鼹差分服理，掺导了金属及合金高压气体淬火非线性导热划题 的显式有限蹩分格式并分析了非线性热传导控制方程组馒式有限差分格式的稳定 刳j ： 3 分析了金属及合金材料淬火时相变潜热的计算方法并建立了相应的计茆模 爱，联雳建立懿数攀蠖型模熬诗冀了t i o 钢裹压氮气淬灾霹不阕气搭篷力精援f 的相变潜热释放情况； 4 ，应瑟孝孝辩翡游溢转嶷盏线( t t t 潼线) 、j o h n s o n m e h l h e 动力学诗算式和 a v r a m i 动力学计算式建立了连续冷却的数学模型，并对t 1 0 钢高压氮气淬火时不 同气体压力债况下豹穗成分变讫避行了模拟讨算： 5 应用有限差分法和非线估计法，结合实验数据，用逆求解思路建立了农露 综合换热系数的数学模型并计算了t l o 锎高压氮气淬火时4 i 同气体压力情况f 的 表面综合换热系数； 6 建立了淬火时热弹黧性问题的有限元模燮。 1 5 。2 2 实验研究内容 l 。测试了t i o 铜裹压氮气淬火眩不嗣气体垂力馕嚣下豹冷帮莲线； 2 对淬火后t i o 钢试件的组织成分进行r 实验研究； 3 。对滓火磊t i o 镶试俘戆硬度进行了实验骚究。 1 5 2 。3 数值模拟研究内容 i ，高压气体淬火时相成分和相变潜热的数值模拟； 2 ，高压气体淬火时表面综合换热系数的数值模拟； 3 高压气体淬火冷却时湿度场的数值模拟； 4 高压e 体淬火冷却时热应力场和残余应力的数值模拟： 5 实验测试数据的计算与处理、计算结果的簸处理。 1 5 3 论文研究的主要创新点 通过热电偶这一简单和成熟的测温技术，以实测的温度场为已知条件，求解 菲线瞧热传警方程静逆滔瑟，褥出实际请况的辛才籽高透气体淬火时豹边界条伟。 谯换热机理尚不清楚的情况下，能定量地、准确地得到表面综合换热系数。这就 9 第1 苹绪论 避玎了崮于边界条件误蒺而 l 超的温度场军“应力场的计算滏差，也打破了传统的 给定边界条 牛热应力研究方法。确立一鼬由随部某一已知燮来研究边界条l 牛，进 而研究多参数耦台效应的研究方法。 鹰用有限差分法、j 线睦佶诗法秘实验磷究对勰鹾氮气淬火孵的表联综合换 热系数进行了求解并建立了金属及合众高压气体淬火时非线性导热问题的边界条 传。应用传热学、毒毒料秘学积力学等攀秘知识，建立了金簇及台金在裹透气露淬 火时考虑组织成分变化、相变潜热、淞度和应力等耦合作用的本构关系和热传导 方程。敢攘霾态蠲变理论、金簇毒孝粒豹t t t 麓线，建立了金瘸及含金高压气体淬 火时棚成分的计算模型，实现了相成分的计算模拟。 嗣溺a n s y s 有疆元分辑软件实