淬火冷却过程三维有限元模拟及工艺参数优化的研究.doc

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1、第一章绪论Ll引言随着现代化工业的发展，人们对机械零件的性能和可靠性的要求越来越高，金属零件的内在性能和质量，除材料成份特征外，主要是在热加工过程中形成的。热处理作为材料加工过程的后部工序，对零件的性能和质量起着重要的作用。但由于热处理过程中，零件的内部温度分布不均匀，组织转变不均匀而产生残余应力会造成零件的不均匀变形，降低零件的抗弯曲、扭转强度和疲劳强度，增加断裂敏感性。在同样的选材条件下，如果选择好的热处理工艺，就能够产生合理的应力分布，减小不均匀变形，延长使用寿命。因此，合理制定工艺对热处理来说至关

2、重要。淬火处理的实质就是通过对淬火工件的温度场、组织转变和应力场进行适度调整，使工件获得所需的组织、性能和较小的残余应力及残余应变。淬火工艺选择不当不仅影响工件的组织性能，而且会影响工件的使用寿命。生产实践表明，淬火过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。因此，加强对淬火工艺的研究尤为重要。淬火过程是一个十分复杂的过程，涉及传热、传质、相变、应力应变、流场或磁场相互藕合，在该过程中，材料内部的温度、组织及应力相互作用和不断变化。虽然单就传热、固态相变或弹塑性力学三

3、方面来讲，都有各自成熟的理论，但这三种不可逆过程相互藕合的问题尚缺乏定量的统一理论，特别是固态相变的多样性与复杂性及传热和弹塑性变形之间的交互作用;另外在实时检测各物理量的变化方面，也存在一定的难度。温度场虽然可以动态测量，但热电偶的插入会对工件造成破坏，而且热电偶本身也影响了温度场的分布。组织状态和应力分布难以在热处理过程中在线进行测量。要测量工件内部的情况，需冷却到室温后将工件解剖，不但人力、物力、财力浪费很大，所得结果仍有较大的局限性。在生产实际中，一般采用试错法或冗余法来解决具体问题。淬火变形和残

4、余应力问题长期以来一直困扰着设计人员和工艺技术人员，是阻碍机械制造和工模具制造技术进步的难题之一。淬火过程中，瞬时应力和残余应力一直是热处理工作者极为关注的问题之一。传统热处理技术已经不能适应机械工业现代化的要求，应用现代计算机技术改造热处理己成为当务之急。在这种背景下，热处理数学模型与计算机模拟技术日益受到重视，已成为当今世界各国研究开发的热点。上世纪七八十年代以来，计算机技术的迅猛发展，使计算机作为一个强有力的工具在各工程领域获得了越来越广泛的应用，淬火领域也不例外。数值模拟是以物理模型为基础，建立数

5、学模型，并使用计算机求解各场量。淬火过程的数值模拟就是利用热学、力学、数学及材料学的知识，通过对温度场、组织转变、应力场的祸合求解，给出温度、组织、应力在每一时刻全场分布的定量数据，研究工艺参数对各种场的影响规律，并以此为依据高效地优化工艺参数。这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布、应力分布与工艺参数的函数关系，但是它能对工件的温度场、组织转变和应力场进行祸合计算，给出每一瞬间的温度场、组织和应力场的分布，并且直接地观察到各场量在淬火过程中的变化情况。数值模拟只要求和数学模型一致，因此，若用同一数学模型编

6、制的程序对小试样计算的结果与实际测得的结果一致，则根据实际工件的具体条件计算出的结果就是很可靠的。这样，就可以在节省大量人力、物力、财力和时间的情况下对工件进行全面的分析，并对淬火工艺的预测和组织性能进行评估，从而优化淬火工艺方案，使工艺更加高效合理。1.2淬火工艺数值模拟的基本原理和方法1.2.1祸合关系模型淬火过程是温度、组织、应力应变三方面交互作用的复杂过程。零件内部温度、组织、应力应变的分布随冷却过程产生和重新分布。因此，该过程的数值模拟必须采用温度、相变、应力应变三者祸合的算法[1]。整个祸合系

7、统如图1一1所示。图卜1淬火过程温度、组织转变和应力位变关系示意图Figurel一1SketehoftheeouPlingrelationshiPoftemPerature，mierostrUetureandstress/strain图1一1中，①②为淬火介质流场及其温度场与工件温度场的相互作用和影响。③为变形热:施加于物体表面或内部的应力会产生应变，部分能量会转化为热能，如果发生了大的非弹性应变(如锻压过程)，温升很明显。而一般热处理过程中，塑性变形所产生的热量较小，可忽略不计。④为热应力:在淬火过程中

8、，工件各部位由于冷却不均匀产生了温度梯度，形成不协调膨胀，产生热应力。⑤为相变潜热:由于相变产生组织的热焙值不同，相变过程必然伴随潜热的释放与吸收继而影响温度场。⑥表示相变:温度是影响相变开始和相变过程的主要因素。⑦组织应力和相变塑性，由于新旧两相的比容不同，将产生体积膨胀的不均匀性，产生组织应力和应变。在相变发生时，在很低的应力水平下(远低于屈服应力)材料就会发生塑性变形，称为相变塑性。⑧表示应力诱发相变:相变行为也受内部应