谢建斌[1]2003年在《金属及合金在不同介质中淬火时的数值模拟和应用研究》文中认为为了深入研究金属及合金淬火技术的理论及应用情况，提高金属及合金工件的淬火质量，预测工件淬火后的性能，定量研究金属及合金的淬火过程，为金属及合金高压气体淬火数值模拟的理论研究做些基础工作，论文将材料科学、力学、传热学和计算机模拟技术等学科相结合，从45钢、T10钢、9SiCr钢和W18Cr4V钢四种典型金属及合金在清水、锭子油和高压氮气中淬火的实验出发，对金属及合金常规淬火和高压气体淬火过程进行了理论研究和数值模拟。 论文从常规淬火工艺和高压气体淬火工艺的工业应用情况出发，综合分析了淬火过程数值模拟的研究状况、淬火时工件内部相变数值模拟的研究情况、表面综合换热系数的计算情况、淬火冷却温度场及热应力场的数值模拟情况；主要研究了金属及合金工件淬火时非线性导热的基本情况和相关的数学模型；模拟计算了金属及合金工件淬火时工件内相成分变化情况和相变潜热释放量；计算了工件淬火时的表面综合换热系数；研究了金属及合金工件的淬冷温度场和热应力场；测试了工件在多种淬火介质中淬火时的冷却曲线、工件淬火后的硬度和残余应力；观测了淬火后工件中的微观组织；比较分析了不同材料在不同介质中淬火时的情况，讨论了主要研究结果和结论。 实验研究结果表明：1、应用自行研制的计算机自动采样系统能够较准确地测试金属及合金工件淬火时的冷却曲线；自制高压气体淬火冷却装置能够满足金属及合金材料高压气体淬火实验研究的需要；高压气体淬火技术可以较方便地用于合金钢等淬透性较好材料的工业应用；随着气体压力的不断提高，高压气体淬火技术也可用于碳素钢的淬火处理。2、与清水淬火、锭子油淬火处理相似，高压气体淬火技术也能够改变金属及合金工件内微观组织的分布，改善金属及合金工件的力学性能。3、与清水、锭子油淬火相比较，高压气体淬火时，工件内温差小，相应的热变形和热应力也比较小；高压气体淬火后的工件表面清洁，表面质量较好，工件中的应力分布好。 理论研究和数值模拟研究的结果表明：1、应用非线性估计法、有限差分法以及实验测试结果，能够实现金属及合金材料淬火时耦合相变效应情况下表面综合换热系数的计算。金属及合金材料在清水和锭子油等液体介质中淬火时表面综合换热呈现出泡态、膜态等沸腾换热现象，相应的表面综合换热系数呈现出较强 摘要 的非线性;金属及合金材料在氮气等高压气体中淬火时，除材料相变阶段外，表面综合换热比较平稳，无沸腾换热等现象，表面综合换热系数的变化大多发生在材料相变阶段。2、应用材料TTT曲线、Scheil相加性原理和等温相变动力学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不同介质中淬火时相成分的数值模拟计算。3、从淬火时热弹塑性本构模型出发，用有限差分法、有限单元法和ANSYS有限元分析软件可实现金属及合金材料淬火冷却时藕合非线性表面换热、相变因素情况下温度场和热应力场的模拟计算。 实验结果与数值模拟结果的比较表明:金属及合金在不同介质中淬火时的数值模拟结果比较符合实际情况。相成分模拟计算结果与实际情况比较吻合;金属及合金试件淬冷温度场有限差分法计算结果、有限单元法计算结果和有限元软件计算结果与实测结果吻合较好。 论文研究的创新处有:1、应用自行研制的高压气体淬火冷却简易设施实现了合金钢等材料的高压气体淬火，研制了淬火冷却曲线的计算机自动采集系统并测试了金属及合金物体在清水、锭子油和高压氮气中淬火时的冷却曲线。2、突破了传统热弹性力学求解非线性导热问题时须已知边界条件的研究方法，以金属及合金试件在不同介质中淬火为工程背景，利用比较成熟的热电偶测温技术，实测试件内部温度为已知条件，求解非线性热传导方程的逆问题，得到金属及合金材料在不同介质中淬火时的换热边界条件，在此基础上计算金属及合金材料淬火冷却时的温度场和热应力场，即给出了一种由内部某一已知量来研究边界条件进而研究多参数藕合效应的研究思路，在数值计算中考虑了相变、非线性热物性系数、温度和应力等因素的相互藕合作用。3、将淬火数值模拟的研究思路与金属及合金高压气体淬火技术相结合，建立了金属及合金不同介质淬火时含非线性表面综合换热系数、组织成分变化、相变潜热、温度和应力相互藕合作用的本构关系，对金属及合金高压气体淬火时的热弹性理论进行了研究。4、基于AN SYS软件和非线性处理方法，实现了金属及合金工件淬火时藕合相变因素情况下淬冷温度场和热应力场的数值模拟。
侯立军[2]2005年在《T10钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究》文中研究说明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后的性能,论文结合力学、传热学、材料科学和计算机科学等学科知识,从T10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研究和数值模拟。 论文从高压气体淬火工艺的工业应用情况出发,综合分析了高压气体淬火技术的发展现状、高压气体淬火数值模拟的研究现状;主要研究了金属及合金工件高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T10钢高压氮气淬火时工件内相成分变化情况和相变潜热释放量;计算了工件高压氮气淬火时的表面综合换热系数;研究了T10钢工件高压氮气淬火时的淬冷温度场和热应力场;测试了T10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组织;比较了T10钢在不同氮气压力下淬火时的情况,讨论了主要研究结果和结论。 实验研究结果表明:1.T10钢高压氮气淬火时,工件的内外温差小,相应的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,气体的冷却能力、工件的冷却速度、工件淬火后的硬度等都得到了不同程度的提高。 理论研究和数值模拟研究的结果表明:1.应用有限差分法、非线性估计法以及实验测试结果,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面综合换热系数的计算。计算结果表明,除相变阶段外,高压氮气淬火时的表面综合换热系数比较平稳,随着氮气压力的提高,表面综合换热系数呈总体增大趋势。2.应用材料的TTT曲线、Johnson-Mehlhe动力学计算式和Avrami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淬火时相成分的数值模拟计算。3.利用ANSYS有限元分析软件可以实现金属及合金材料高压气体淬火冷却时耦合相变因素情况下的温度场、热应力场和残余应力的模拟计算。 数值模拟结果与实验结果的比较分析表明:T10钢高压氮气淬火时的数值模拟结果与实际情况相吻合。高压氮气淬冷温度场的有限差分法计算结果利ANSYS有限元分析软件计算结果与实测结果吻合较好。相成分模拟计算结果与实际情况比
王伟佳[3]2007年在《多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算》文中指出淬火介质的换热系被普遍认为是一个能够客观、直接地评价淬火介质冷却能力的参数，在计算机数值模拟的研究中，尤其是在对在瞬态温度场、组织场、热应力场的模拟计算中，换热系数又是一个必不可少的边界条件。换热系数的精确性能够直接影响到数值模拟的计算结果，此外，对工件淬火后性能预测的可靠性也同样有赖于淬火介质换热系数的准确性，所以对常用钢在不同淬火介质中换热系数的计算具有重要的实际意义。本论文借助八种常用钢(42CrMo钢、GCr15钢、T8钢、20CrMnT钢i、65Mn钢、20CrMo钢、45钢和20钢)在淬火冷却实验中得到的冷却曲线，通过反传热方法计算得到了常用钢在不同淬火介质中的表面综合换热系数。论文在反传热计算过程中应用了有限差分方程和非线性估算法，并且考虑到相变潜热对瞬态温度场的影响，还借助等温转变曲线、Scheil迭加原理和等温转变动力学原理建立了连续冷却组织转变模型，耦合了相变过程对温度场的影响。为了验证计算得到的常用钢在不同淬火介质中淬火冷却换热系数的准确性，本文利用大型有限元软件MSC．Marc作为模拟平台，建立了淬火过程二维非线性有限元模型，模拟淬火过程中的瞬态温度场，在模拟过程中以多种常用钢在不同淬火介质中的非线性表面综合换热系数为边界条件，同时耦合了相变过程的影响。最后本文对常用钢在不同淬火介质中冷却的瞬态温度场的模拟值和实验值进行了比较，结果表明：冷却过程二维瞬态温度场的模拟值与实验值吻合得较好，从而证明了计算得到的表面综合换热系数的合理性。
吴道祥[4]2016年在《7050铝合金H型截面长轴锻件成形工艺优化及淬火残余应力消除研究》文中认为随着航空航天工业向轻量化发展,带有纵横内筋结构的H型截面铝合金锻件得到广泛的应用。这类构件由于承载大部分载荷且所处工作环境极为恶劣,被要求具有较高的尺寸精度、较好的组织流线分布及优良的综合力学性能。因此,对这类铝合金构件的成形工艺、热处理工艺及后期淬火残余应力消除工艺的研究对提高该类合金锻件的性能至关重要。论文采用热模拟实验、热模锻生产试验、常温力学拉伸、断裂韧性实验、显微组织观察(OM、SEM)、残余应力检测实验、冷压实验及有限元数值模拟,研究了7050铝合金H型截面锻件热模锻成形工艺,研究了固溶温度、淬火介质以及淬火转移时间对7050铝合金试件中第二相粒子、晶粒结构、材料强度及断裂韧性的影响,研究了7050铝合金构件在不同淬火工艺下的残余应力大小、分布及规律,研究了不同模压工艺对7050铝合金构件淬火残余应力的影响。相关结论如下:(1)采用Gleeble试验机对7050铝合金在温度300-450℃,应变速率为0.01-10s-1条件下对7050铝合金进行热压缩试验,得到了合金不同变形情况下的真实应力-应变曲线。对热压缩实验数据进行回归分析,基于双曲正弦Arrhenius方程,建立了用Z参数表示的7050铝合金本构关系。该本构模型为后期的数值模拟分析奠定理论基础。(2)基于响应面优化算法,对7050铝合金H型截面锻件热模锻成形工艺参数进行优化,将优化后的工艺参数应用到实际生产,获得成形质量完好的模锻件。通过对锻件热模锻成形中出现的充填不满、流线穿流、变形不均匀等缺陷问题的形成机理进行分析,结合数值模拟与响应面法(RSM),对热模锻成形工艺参数进行优化,得到锻件成形最优工艺参数。(3)研究和揭示了不同固溶温度对7050铝合金组织和性能的影响。7050铝合金热处理过程中大部分的第二相粒子会随着固溶处理的进行逐渐的融入到基体中去,随着固溶温度的升高,第二相粒子逐渐减少而后趋于稳定。然而随着固溶温度的升高,晶粒发生再结晶的比例也会增大。因此,随着固溶温度升高,合金的强度以及断裂韧性先升高后降低,在固溶温度为470°C时达到峰值,此时合金的抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.2)以及断裂韧性(KIC)分别为567MPa、512MPa和37.2MPa·m1/2。(4)研究和揭示了不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金组织和性能的影响。不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金淬火过后第二相粒子体积分数有较为明显的影响,但对淬火过后的组织形态影响不大。四种淬火介质中盐浴淬火工艺下的淬火过后的铝合金中的第二相粒子体积分数最小,因而其时效过后的力学性能最好。其次是淬火介质为水时及淬火介质为20%PAG溶剂;空冷状态下的淬火过后的铝合金中的第二相粒子体积分数最大,因而其时效过后的力学性能最差。另外,水淬工艺下,随着淬火转移时间的增加,淬火过后合金中第二相粒子逐渐增多,时效后合金的力学性能逐渐下降。(5)研究和揭示了不同淬火介质、淬火转移时间对7050铝合金H型截面锻件淬火后残余应力的影响。锻件淬火后表层残余应力为拉应力,芯部为压应力。锻件淬火残余应力主要集中在过渡圆角区域,其随着锻件筋板的厚度增加而增大。另外,锻件表面淬火残余应力随着过渡圆角的增大而增大;芯部淬火残余应力随着过渡圆角的增大反而减小。四种淬火介质当中,淬火介质为空气时锻件淬火残余应力值最小,其次是20%PAG溶剂,水及NaCl溶液下的锻件淬火残余应力相对较高。随着淬火转移时间的增大,锻件截面过渡圆角区淬火残余应力值逐渐减小。(6)研究了不同冷压工艺对7050铝合金H型截面锻件淬火残余应力的影响。通过数值模拟确定先筋顶圆角同时下压,下压结束后再对锻件腹板部分进行冷压是最佳的冷压工艺。优化后的模具使得锻件整个截面淬火残余应力得到有效的控制,锻件残余应力消减到40 Mpa以下。随着模压量的增大,锻件截面过渡圆角区残余应力先减小后增大,在模压量为3%时达到最低值。模压后的试件表面残余应力实验结果与数值模拟结果比较吻合,实验测试值与数值模拟值误差在30MPa以内,说明采用数值模拟的方法测试试件淬火残余应力有着较高的精度。
林高用[5]2006年在《高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究》文中研究表明高强高韧耐腐蚀且低残余内应力的高性能铝合金厚板是现代航空、航天、舰艇、武器装备等领域必不可少的关键结构材料。在铝合金厚板加工技术方面，我国与世界先进水平差距较大，这一方面是受到我国现有加工装备条件的限制，无超大型加工设备实现铝合金厚板的充分变形；另一方面是因为我国在厚板加工理论和技术方面的相关基础研究相当薄弱，对铝合金在热加工过程中的组织演变规律、厚板制备过程中残余应力的检测与控制技术、铝合金材料的损伤与断裂等多方面的基础研究均未能跟上时代发展的步伐。正因如此，我国目前高性能铝合金厚板大部分依赖进口，严重制约了我国航空、航天及国防技术的发展。因此，针对高性能铝合金厚板加工技术与理论开展持续深入的基础研究工作，为解决铝合金厚板制备的关键技术奠定理论基础、实验基础和人才基础，对我国铝加工工业的发展具有十分重要的意义。本文结合国家“973”项目(G1999064908)，以7×75系高性能铝合金为研究对象，采用物理模拟与数值模拟相结合的方法，围绕铝合金厚板加工制备技术的几个重要环节，从热变形流变应力与组织控制、强应变组织细化技术、淬火残余应力等方面开展相关基础研究，获得如下主要结论：1．高强铝合金热变形行为研究：以7075铝合金为实验材料，采用等温热压缩试验，对铝合金在单道次、双道次和四道次热压缩变形过程中的流变应力行为及其组织演变规律进行了实验模拟研究：(1)实验测定了7075铝合金的流变应力曲线。分析表明，随着应变的增加流变应力迅速升高，出现一峰值后逐渐下降或基本保持不变；随变形温度升高，峰值应力和稳态流变应力均呈下降趋势；在变形温度保持不变时，流变应力随着应变速率的提高而增大；建立了该合金热变形的稳态流变应力和峰值流变应力方程，分别如式(3-14)和(3-15)。(2)获得了热变形工艺参数对7075铝合金再结晶晶粒尺寸的影响规律，即在应变量不变的条件下，再结晶晶粒尺寸随变形参数Z值增加而降低；并建立了Z参数值与平均再结晶晶粒尺寸Dr的定量关系(式3-16)，为该合金组织预测和控制提供了一种理论模型。(3)探明了7075铝合金双道次热压缩变形道次间的软化规律与机理。研究表明，随着道次间保温时间的延长，该合金的软化率提高；变形及保温温度越高，软化率越大；在较低温度下的道次间软化主要是静态回复的结果，而高温下的道次间软化则是静态回复和静态再结晶共同作用的结果。(4)通过对两种工艺方案下7075铝合金多道次热变形流变应力与组织演变规律的实验研究，发现，因变形过程中的动态回复和动态再结晶、道次间的静态回复与静态再结晶，尤其是沉淀相高温析出等软化机制的综合作用，流变应力随着变形道次增加及温度逐渐降低而依次减小。2．高性能铝合金厚板强应变组织细化研究：(1)提出一种细化7×75系铝合金厚板组织的“强化固溶→过时效→中温多向锻造→中温轧制→快速加热再结晶处理”的中间形变热处理(ITMT)技术原型，保证了厚板的充分和均匀变形，使合金再结晶晶粒组织和第二相结构得以深度细化。在轧制变形量不超过80％的条件下，厚度达6mm以上的7075铝合金厚板的组织被细化到：短横向的平均晶粒尺寸为8μm，纵向及长横向平均晶粒尺寸为12μm；第二相点状颗粒尺寸一般都小于5μm。该研究成果为我国大规格、高性能铝合金厚板加工提供了新的思路。(2)研制的7075铝合金厚板“多向热锻开坯→中间形变热处理→时效处理”工艺路径，综合利用沉淀强化和细晶强化的共同作用，使厚板抗拉强度和屈服强度明显提高的同时，伸长率也略有增加：经本文提出的“强应变+固溶时效”加工路径(LD+QA)制备的7075铝合金厚板T6态的抗拉强度σ_b和屈服强度σ_(0.2)值，分别比“工业热轧+固溶时效”(HR+QA)制备的7075铝合金厚板T6态的抗拉强度σ_b和屈服强度σ_(0.2)值提高15.7％和11.6％，且伸长率δ_5由10.4％提高到11.2％。(3)揭示了ITMT工艺细化晶粒的机理，即充分利用形变储能和第二相的有利影响，通过不连续再结晶实现7×75系铝合金的晶粒细化。(4)实验表明，7075铝合金锭坯中的粗大难熔相是熔炼过程中形成的多种金属间化合物的聚集团块，质硬而脆，是合金受力变形时微裂纹的主要源头。3．高性能铝合金厚板淬火残余应力研究：(1)采用钻孔法测量残余应力，较系统地研究了工艺参数对水中淬火的7075铝合金厚板淬火后残余应力的影响；首次通过淬火模拟实验测定了铝合金在不同的淬火水温下的冷却曲线；获得了制备高力学性能、低残余应力的7075铝合金厚板较佳的工艺条件：淬火水温为40～60℃，预拉伸塑性应变2～2.5％，在140℃时效约15小时。(2)通过实验较系统地研究了两种非水淬火介质(AQ251溶液和乳化液)对铝合金厚板淬火过程及残余应力的影响规律；首次通过淬火模拟实验测定了这两种淬火介质在不同浓度和不同温度下对7075铝合金的冷却曲线，揭示了其影响淬火残余应力的机理；获得了这两种淬火介质使7075铝合金厚板淬火残余应力得到显着降低但对合金组织与性能影响微小的淬火工艺参数，对于AQ251聚合物溶液淬火介质，淬火工艺参数为：浓度30％，温度40℃；对于乳化液淬火介质，浓度为20～30％，淬火温度为室温。(3)采用有限元数值模拟技术研究获得了铝合金厚板淬火过程中的温度场、应变场和应力场变化规律；首次运用点跟踪技术获得了淬火过程中不同区域内应力反号的临界条件，即铝合金厚板表层和芯部应力分别于淬火后7秒和13秒反号；提出了一种可较好地解释铝合金厚板淬火残余应力形成机理与分布的局部平衡的“应力与应变波动”模型。
郑泽花[6]2010年在《钢淬火换热系数计算及温度与微观组织模拟》文中研究说明淬火是改变和提高金属材料性能的重要手段。近几十年来,学者对淬火过程进行了大量的研究,而计算机模拟技术因其能够优化工艺、降低废品率、提高工作效率而成为非常有效的研究方法。淬火是涉及热、力、组织及其相互作用的复杂过程,对这一过程的模拟主要包括边界条件和各种热物性参数的测算、模型的建立、对计算结果的验证等。本论文根据反传热思想和实测的几种典型钢探头在多种介质中淬火时的冷却曲线,建立了耦合相变的轴对称有限差分模型,用FORTRAN语言编程计算钢探头淬火过程的表面综合换热系数。结果表明,考虑相变时计算得到的换热系数比不考虑相变时的计算值要大,而且考虑相变时的计算结果被证明更加合理和准确。同时发现,相同探头淬火过程的换热系数随淬火介质种类不同而变化,同一淬火介质对不同材料的探头的冷却能力也不同,即淬火过程的换热系数与淬火介质及探头材料均相关。以大型有限元软件MSC.MARC作为模拟平台,建立了淬火过程叁维非线性分析模型,借助MSC.MARC的二次开发功能编写模拟相变过程的程序,以计算得到的非线性表面综合换热系数为边界条件,模拟了淬火过程中的瞬态温度场和组织场。模拟中把相变潜热作为每个单元的内热源,迭代求解中修正温度场,以提高计算精度。结果显示,淬火探头测温点的模拟冷却曲线与实测曲线吻合较好；组织模拟结果与实验金相照片的比较,说明模拟的组织场较接近真实淬火组织。上述结果说明利用本文所建模型能够对淬火工件温度场和组织场进行较为准确的模拟。本论文还用有限元软件DEFORM建立2D和3D模型,模拟42CrMo支重轮、42CrMo轴等大工件淬火过程的温度场和组织场。42CrMo支重轮在不同介质中淬火得到的组织不同,按照水淬油冷工艺淬火后,支重轮在组织性能上能够达到要求；42CrMo轴在同种介质中的淬硬层深度随工件尺寸而变化。
丁冬芳[7]2011年在《9SiCr常压气雾淬火过程的数值模拟与实验研究》文中研究指明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。
曹江[8]2014年在《2A02高强度铝合金热加工残余应力研究及其数值模拟》文中进行了进一步梳理海上油气田的勘探开发需要有大量的原动机提供动力。随着科学的进步,近儿年来燃气轮机的用量在不断增加,燃气轮机压缩机组作为海上钻井平台运行的关键动力设备获得了广泛的应用。但是,在燃气轮机压缩机组叶片的生产过程中,其锻造与热处理工序会产生较大的残余应力,这使得叶片在后续机加工过程中出现翘曲变形而最终导致大量报废,严重影响了燃气轮机的正常生产交付。也就是说,热加工产生的残余应力是影响叶片生产质量的关键。因此,木文选用具有高强度、高韧性的叶片制造合金2A02铝合金,利用残余应力测试方法及有限元模拟手段,研究叶片制造工序以及制造工艺过程与残余应力的关系,并提出残余应力有效的消减方法,为现有的叶片制造工艺的改进和叶片质量的提高提供科学的依据。在残余应力测试方法方面,通过综合比较几种残余应力测试方法,确定了显微压痕硬度法可以作为2A02铝合金残余应力测试方法,并实现了对该塔形或半塔形试样残余应力分析的应用。后续对叶片实物的残余应力采用X射线衍射法测试与显微压痕硬度法测试进行比较,表明显微压痕硬度法的测试结果及趋势与X射线衍射法是相当的,认为在工程上不具备测试条件的情况下,显微压痕硬度法可以替代X射线衍射法测试残余应力。基于残余应力复杂的产生过程、分布情况及影响因素,本文首先利用Gleeble-1500热模拟实验对2A02铝合金的锻造过程进行了研究。结果表明,2A02铝合金流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率增加而增加;构建了该合金本构方程,得到了热变形激活能为201.7kJ·mol-1；研究了其组织演化行为,当2A02铝合金变形程度较低时(变形量为10%、20%),主要软化机制是动态回复：当变形量增大到40%时,合金的软化机制由动态回复向动态再结品转化：当变形量达到60%时,合金内存在动态再结品晶粒,软化机制体现为几何动态再结晶。通过显微压痕硬度法测定了不同变形条件下的残余应力,发现随着变形量的增大,合金的动态再结晶逐步发生,残余应力逐渐增大。其次,对2A02铝合金淬火过程的残余应力进行了研究,实验分析测定了淬火温度、淬火保温时间、冷却方式对残余应力的影响以及组织变化对残余应力的影响。结果表明,铝合金表面残余应力随着淬火温度的升高而升高,随着淬火时间的增加而降低,但是变化幅度不是很大。残余应力是由淬火过程中水冷引入的,是由温度梯度的存在产生的热应力。最后,分析测定了不同时效温度、不同时效时间下的样品表面残余应力,并采用透射电镜观察了在170℃、190℃时效温度下析出相的形貌及分布。结果表明,当时效温度为170℃、时效时间为16h时,时效过程中的析出相S相数量较多、尺寸较大,对残余应力的释放具有较大影响,残余应力的消减达到100MPa左右。时效对残余应力有一定消减效果,但仍有剩余残余应力。190℃时效过程对残余应力消减效果不明显。时效过程中残余应力的变化实际上是热应力减小、组织应力增大的过程。为了研究零件结构复杂性、约束条件对残余应力的影响,本人设计了塔形、半塔形试样。并结合显微压痕硬度法及ANSYS有限元模拟系统研究了塔形和半塔形试样淬火后残余应力分布规律,分析了结构复杂性、约束条件与残余应力分布之间的关联性,认为厚度相同时,随着约束条件的增多,样品内部残余应力的绝对值趋于减小；约束条件相同时,随着样品厚度的增加,残余应力的绝对值亦趋于减小；在多种影响因素下,揭示出应力场分布受样品厚度影响较大的规律。利用NSYS有限元软件重点对2A02铝合金叶片淬火过程产生的残余应力进行了模拟分析,表明2A02铝合金叶片锻件淬火过程热应力随时间变化比较复杂；同时通过对比分析认为40℃左右的水淬温度比较适合于该铝合金叶片的淬火过程；通过X射线衍射法和显微压痕硬度法对叶片锻件淬火后表面残余应力进行了测试,测试结果为叶片表面的残余应力分布都是近叶根处残余压应力绝对值最大,近叶片顶部的残余压应力的绝对值最小,中间部位残余压应力数值处于两者中间。两种测试方法所得结论大致相当,并与ANSYS有限元模拟结论的趋势是吻合的。同时提出,近叶根部位是淬火过程中残余应力分布最为敏感的部位。在工程实际中,淬火工艺一定的情况下,应重点分析近叶根部位的残余应力。采用双线性模型和多线性模型分析了模压法对残余应力消减程度的影响,认为模压法对2A02铝合金叶片的淬火残余应力的调整、消减有显着作用。根据叶片实物实验确定压下量为1.56mm可以明显消减残余应力的结果,将模压法进行了工程验证,获得了良好的效果。
高东海[9]2008年在《基于ANSYS淬冷过程的研究》文中进行了进一步梳理淬火是实现工件组织结构优化的一个重要手段,也是机械行业的一项重要基础技术,它对于提高和控制材料的性能,充分发挥材料的性能潜力,节省原材料,减少能耗,提高产品的可靠性,延长其使用寿命,并提高生产单位的经济效益等都具有十分重要的意义。随着计算机技术的迅速发展,淬火过程的计算机模拟越来越受到人们的重视,已成为当今淬火过程研究和淬火工艺设计中必不可少的重要方法。热处理过程计算机模拟具有速度快、效率高、结果形象逼真、能综合全面反映热处理过程中各种变化规律的特点。与试验研究相结合,可以极大地拓展实测数据提供的信息,完成试验研究很难做到甚至不能做到的工作。国内的许多专家和学者运用CAE软件如MARC、ANSYS等对现实中热处理过程进行了模拟,而且取得了一系列令人满意的成果,并将模拟的结果指导于生产实践之中。本论文是在传热学基础上,考虑了材料性能参数随温度变化,以及相变潜热,淬火介质,工件形状以及材质对淬冷的影响,运用ANSYS为工程软件,对工件的淬火冷却过程进行建模,得到其淬冷过程中任一时刻和位置的温度场和应力场,分析其优缺点,从而为生产实践中钢材的淬火提供指导。本文主要成果有:1.对淬火的温度场的数学模型和有限元模型进了描述;2.对不同淬火介质对淬冷后工件温度场、应力场进行了模拟,比较其优缺点;3.对不同形状的工件的淬冷过程进行模拟,分析其不足;4.对不同材质的工件在相同条件下进行模拟:5.根据模拟结果,对淬火工艺提出了几点指导意见。
范芷彰[10]2014年在《结构钢喷雾淬火过程数值模拟及实验验证》文中研究说明喷雾冷却是一种新型的换热方式,相比于传统冷却方式,其换热能力强、冷却均匀、没有沸腾滞后等优点,喷雾冷却在金属及其合金的淬火领域将具有广阔的应用前景。但是喷雾冷却的换热机理比较复杂,国内相关方面的研究迄今还不成熟。本文的主要工作是采用反传热法求解喷雾淬火过程的换热系数,然后在试验的基础上研究喷雾冷却过程中不同结构钢材料在同喷雾压力下的换热,以及不同喷雾压力下同种材料的换热,分析其换热机理。以求取的换热系数为边界条件,利用有限元软件对喷雾淬火冷却过程进行数值模拟,最后试验验证模拟计算喷雾淬火过程的准确性。本文借助42CrMo、35CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo、40Cr五种结构钢淬火试件在喷雾淬火冷却试验中得到的冷却曲线,通过反传热法计算得到试件喷雾淬火过程中的表面换热系数。42CrMo、35CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo、40Cr五种结构钢在8MPa喷雾淬火冷却时,换热系数分别在127℃、168℃、120℃、120℃、115℃达到最大值,最大值为7700w.m2.C-1、7900w.m2.℃-1、8650w.m2.℃-1、8650w.m2.℃-1、9650w.m2.℃-1比较五种钢在8MPa喷雾淬火冷却过程的换热系数曲线,可以发现相同冷却介质不同淬火材料,其淬火过程的换热系数曲线不同,但趋势相同。40Cr钢在6MPa喷雾淬火冷却时,换热系数在120℃达到最大值4200w.m2.℃-1,可以发现不同压力下喷雾淬火过程表面换热系数的最大值随着喷雾压力的增大而增大,而换热系数峰值出现的温度点随着压力的增大而降低。本文利用有限元软件COSMAP作为模拟平台；综合考虑温度场、组织场、应力场叁场祸合作用,建立了淬火过程叁维非线性有限元模型,以计算得到的喷雾淬火过程的表面综合换热系数为边界条件,对42CrMo、35CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo、40Cr末端淬火试样的喷雾淬火过程进行了数值模拟,得到了淬火过程中温度场、组织场、应力场以及硬度场的分布规律。最后为了验证喷雾淬火过程模拟结果的准确性,文章分别对42CrMo、35CrMo、40CrNiMo、34CrNiMo、40Cr五种结构钢进行8MPa喷雾压力下淬火冷却试验,通过检测硬度分布、淬硬层深度和金相组织分析的手段对喷雾淬火过程的硬度场和组织场的模拟结果进行了试验验证。
参考文献：
[1]. 金属及合金在不同介质中淬火时的数值模拟和应用研究[D]. 谢建斌. 昆明理工大学. 2003
[2]. T10钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究[D]. 侯立军. 昆明理工大学. 2005
[3]. 多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算[D]. 王伟佳. 大连理工大学. 2007
[4]. 7050铝合金H型截面长轴锻件成形工艺优化及淬火残余应力消除研究[D]. 吴道祥. 重庆大学. 2016
[5]. 高性能7×75系铝合金厚板加工技术相关基础研究[D]. 林高用. 中南大学. 2006
[6]. 钢淬火换热系数计算及温度与微观组织模拟[D]. 郑泽花. 大连理工大学. 2010
[7]. 9SiCr常压气雾淬火过程的数值模拟与实验研究[D]. 丁冬芳. 昆明理工大学. 2011
[8]. 2A02高强度铝合金热加工残余应力研究及其数值模拟[D]. 曹江. 西南石油大学. 2014
[9]. 基于ANSYS淬冷过程的研究[D]. 高东海. 贵州大学. 2008
[10]. 结构钢喷雾淬火过程数值模拟及实验验证[D]. 范芷彰. 大连交通大学. 2014