9SiCr常压气雾淬火过程的数值模拟与实验研究

论文摘要

为了研究气雾淬火在不同初始压力、不同水气配合比情况下的淬火性能,本文对9SiCr在不同水气配比（水和氮气）,不同初始压力情况下的气雾淬火过程进行了数值模拟和实验研究。气雾淬火是一种新的淬火处理工艺,通过压缩空气将水滴打成雾状喷射到试件上对试件进行淬火冷却处理。两种介质的配合使得气雾淬火的冷却能力范围较大,介于气体介质冷却和水雾冷却之间。论文比较了传统淬火、高压气体淬火和气雾淬火工艺的研究和应用情况。对淬火冷却过程的数值模拟,淬火过程中的表面综合换热系数、淬冷温度场,应力场组织场的主要研究现状作了总结。论文通过试验测试了淬火冷却过程中温度随时间的变化曲线,对淬火冷却曲线分析可知当水气配合比相同时,初始压力越大,混合气雾介质的冷却速度越大,从而使得试件表面和中心的温度差也较大。当初始压力相同时,水气配合比越大,淬火试件表面和中心的温度差就越大。文中对换热边界条件进行了推导,用反传热法给出了边界条件关键参数表面换热系数的求法。运用有限元软件DEFORM采用反传热法对淬火冷却过程中的表面换热系数进行了数值模拟。模拟结果表明表面综合换热系数具多个极值点,忽略最大值点处的淬裂情况影响,另一个较大极值出现在200-300℃之间。从模拟结果也可以看出当水气配比相同时初始压力越大表面换热系数均值越大,波动也越大。当初始压力相同时,水.气配比越大表面换热系数波动越大。同时采用ANSYS软件对淬火温度场和应力场进行了有限元数值模拟。对淬火冷却温度场的数值模拟,给出了淬火冷却过程某些时刻的温度分布云图,在淬火过程中试件内外温度差最大的约为300℃。根据某些点的温度梯度选择温度梯度较大的时刻进行了应力场模拟。对淬火应力场的数值模拟给出了淬火温度梯度较大时刻的应力场和应变场,应力场的最大值达到了700MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 传统淬火工艺简介
• 1.2 高压气体淬火发展现状
• 1.3 气雾淬火的研究现状
• 1.4 影响传统淬火的主要因素
• 1.4.1 总传热系数
• 1.4.2 试件与淬火介质的温度差
• 1.5 影响高压气体淬火主要因素
• 1.5.1 淬火用气量对淬火过程的的影响
• 1.5.2 淬火气流相对于试件的入射角和湍流的影响
• 1.5.3 常用于高压气体淬火的气体淬火性能比较
• 1.6 气雾淬火影响因素
• 1.7 淬火过程研究现状
• 1.7.1 淬火过程的数值模拟的研究
• 1.7.1.1 淬火过程数值模拟技术研究现状
• 1.7.1.2 淬火过程数值模拟研究的不足与存在的问题
• 1.7.2 淬火过程表面综合换热系数
• 1.7.2.1 表面换热系数的概念及其研究意义
• 1.7.2.2 表面综合换热系数的研究现状
• 1.7.2.3 表面综合换热系数研究的不足和展望
• 1.7.3 淬火温度场的数值模拟
• 1.7.4 淬火热应力场热应变场的研究现状
• 1.7.5 淬火后试件的机械性能的数值模拟
• 1.8 论文研究课题的提出
• 1.8.1 课题背景
• 1.8.2 课题的来源
• 1.8.3 选题的依据和意义
• 1.9 论文的总体思路和主要内容
• 1.9.1 论文的总体思路
• 1.9.2 论文的工作和主要内容
• 1.9.2.1 理论研究内容
• 1.9.2.2 实验研究和数值模拟内容
• 1.9.3 论文创新点
• 第2章 淬火时热传导的基本原理和数学模型
• 2.1 淬火过程的热传导基本原理
• 2.1.1 热传导基本方程的推导
• 2.1.2 圆柱坐标系下的热传导方程
• 2.2 定解条件
• 2.2.1 初始条件
• 2.2.2 边界条件
• 2.3 9SiCr 材料热物性参数的给出
• 2.4 本章小结
• 第3章 试件冷却曲线及淬火后硬度实验测量
• 3.1 冷却曲线的测量实验
• 3.1.1 试件制备
• 3.1.1.1 试件及特殊处理方式
• 3.1.1.2 试验设备介绍
• 3.1.2 淬火实验过程
• 3.1.3 实验数据处理
• 3.1.4 9SiCr温度随时间变化曲线测试结果
• 3.1.5 淬火冷却曲线试验结果分析
• 3.2 硬度测试
• 3.2.1 硬度测试设备
• 3.2.2 硬度测试实验需注意事项
• 3.2.3 硬度测试结果
• 3.2.4 硬度测试结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 淬火过程中表面综合换热系数的分析与数值模拟
• 4.1 反传热法求解换热系数原理
• 4.1.1 非线性估计算法
• 4.2 表面换热系数的数值模拟
• 4.2.1 DEFORM软件介绍
• 4.2.2 DEFORM软件对表面换热系数的数值模拟过程
• 4.2.3 数值模拟结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 试件淬火的温度场有限元软件模拟分析
• 5.1 ANSYS有限元软件简介
• 5.2 ANSYS软件模拟温度场
• 5.2.1 有限元温度场模拟的平衡方程
• 5.2.2 ANSYS软件计算淬冷温度场时的前处理
• 5.2.2.1 单元类型的选择
• 5.2.2.2 材料属性的设定
• 5.2.2.3 定解条件的加载
• 5.2.3 温度场模拟结果后处理
• 5.3 本章小结
• 第6章 9SiCr淬火冷却过程中的应力、应变场的数值模拟
• 6.1 9SiCr气雾淬火热应力场本构关系讨论
• 6.2 运用ANSYS软件求解热应力场,应变场
• 6.2.1 热应力场的顺序耦合分析
• 6.2.2 应力场数值模拟结果
• 6.3 本章小结
• 第7章 结果分析与讨论
• 7.1 论文研究的主要结果和结论
• 7.1.1 实验研究的主要结果与结论
• 7.1.2 理论研究主要结果
• 7.1.3 数值模拟计算研究结果与结论
• 7.2 论文创新内容
• 7.3 论文中存在的不足
• 7.4 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录