U71Mn钢重轨轨头淬火温度场和应力场的数值模拟研究

论文摘要

我国是一个以铁路运输为主的国家。国民经济的快速发展,铁路运输量日益增加,要求铁路通过进一步提高行车速度、提高重轨的强度及耐磨性、延长其使用寿命,进而对重轨提出了更高要求。由于硬度的普遍提高,重轨的脆性、韧性以及净度等问题又很突出,重轨在冷却不均匀的情况下,重轨内部的温度场变化情况不仅直接影响相变,而且对内应力也产生很大的影响。本文以规格为50kg/m的重轨为研究对象,利用等效热容法处理相变潜热对温度场的影响,用等效线膨胀系数法处理相变引起的组织应力,通过综合考虑材料热物性参数随温度的非线性变化、热传导及高压气体冷却等动态边界条件,采用有限单元法,建立了淬火重轨的瞬态温度场和应力场的三维模型。该模型能实现淬火过程的温度场的动态分析和精确计算,预测淬火重轨各个时间段的温度场。根据重轨温度场的变化规律,控制喷风时间,最终得到理想的索氏体组织。在数值模拟计算的过程中,输入在不同的喷风压力下的对流换热系数,得到相应的温度场和应力场结果,并对结果进行了分析。计算了加热、保温、强制冷却、空气自然对流等不同工况的温度场和应力场分布情况,分析淬火时间对温度场和应力场的影响,计算结果更加逼近三维工件淬火过程,并将实验结果与计算分析结果进行了对比分析。模拟计算结果与实测结果吻合较好,喷风淬火可以产生较小的残余热应力,避免了重轨的变形和开裂。数值模拟验证了该有限元模型的正确性,从而为实际生产制定合理的重轨淬火工艺提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 影响重轨淬火技术的主要因素
• 1.3 重轨淬火数值模拟的国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 重轨淬火数值模拟的国外研究现状
• 1.4 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 重轨淬火温度场和应力场的理论基础
• 2.1 淬火热传导的基本原理
• 2.1.1 重轨淬火时定解条件
• 2.1.2 淬火时热传导初始条件
• 2.1.3 重轨淬火的边界条件
• 2.2 重轨应力场的求解
• 2.2.1 热弹性问题
• 2.2.2 热弹塑性问题
• 2.2.3 弹塑性应力应变关系
• 2.2.4 热弹塑性问题的求解
• 2.3 组织场求解理论基础
• 2.4 本章小结
• 第三章 重轨淬火冷却温度场的分析
• 3.1 重轨有限元模型的构建
• 3.1.1 重轨热处理工艺及分析流程
• 3.1.2 重轨有限元模型的建立及材料物性参数的选取
• 3.2 定义重轨约束条件和载荷条件并求解
• 3.2.1 边界条件约束和加载
• 3.2.2 定义载荷步文件批求解法
• 3.3 淬火温度场结果的对比分析
• 3.3.1 不同压强下喷风温度场对比分析
• 3.3.2 不同的加热时间和保温时间对重轨的温度场影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 重轨淬火热应力和残余应力的计算分析
• 4.1 热应力的模拟计算和结果分析
• 4.1.1 不同加热时间应力场结果对比分析
• 4.1.2 不同压强下喷风的应力场对比分析
• 4.2 重轨淬火后残余应力的研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间的主要成果
• 致谢