（机械工程专业论文）v型钢导轨淬火温度场及应力场的数值模拟研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t g 58 0 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo nv - s h a p e ds t e e lr a i lq u e n c h i n gt e m p e r a t u r e a n ds t r e s sf i e l d c a n d i d a t e ：l i u j i a n f e n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：w a n g z h a o h u i s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n er c h i n a m a r c h ，2 0 1 0 3ii-l9iiii”i 9帅7，川i_洲y 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， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：查鲤逢生 日期： 幻t 口、1 m s 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：l 堡蛛师签名：蔓型啦日期：业 目录 目录 目录i 摘要i i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 - 1 1 课题研究的背景与意义1 - 1 2 淬火过程的计算机模拟研究现状2 1 2 1 淬火温度场的数值模拟2 1 2 2 淬火工件组织场的数值模拟一3 1 2 3 淬火工件应力场的数值模拟4 1 3 本文研究内容5 1 4 本章小结5 一 第2 章v 型钢导轨淬火过程的数值模型7 2 1 淬火时热传导的数值模型7 2 1 1 淬火时热传导方程的建立7 2 1 2 淬火过程的定解问题与定解条件8 2 1 3 淬火时的初始条件8 2 1 4 淬火时的边界条件9 2 2 热应力分析的有限元描述1 0 2 3 热处理模拟时的数值震荡问题一1 0 2 3 1 数值震荡的概念与种类1 0 2 3 2 数值震荡问题的解决方法1 1 2 4a n s y s 软件建立v 型钢导轨淬火过程的计算机模型一12 2 4 1 基本假设条件一1 2 2 4 2 导轨淬火的a n s y s 模型1 2 2 4 3 计算框图13 2 5 本章小结1 4 第3 章有限元法分析理论基础15 3 1 有限元法的基本流程1 5 3 2 有限元求解的相关理论1 6 3 3 有限元法的优缺点17 3 4 本章小结18 第4 章淬火导轨温度场的计算机模拟，1 9 4 1 温度场的数学模型19 4 1 1 温度场的基本方程1 9 4 1 2 温度场的有限元模型2 1 山尔大学。f ：稃硕士学位论文 4 2 有限元模型的建立2 3 4 2 1 定义单元类型2 4 4 2 2 定义材料性能参数2 4 4 2 3 建立几何模型2 6 4 2 4 网格划分2 6 4 2 5 加载载荷求解2 8 4 3 温度场的数值模拟与分析2 8 4 4 本章小结3 1 第5 章淬火导轨应力场的计算机模拟3 3 5 1 应力场数值计算步骤3 3 5 2 热弹塑性理论3 5 5 2 1 应力场计算的基本假设3 5 5 2 2 热弹塑性应力应变关系3 7 5 2 3 相变塑性对应力场的影响3 9 5 3 求解过程中的关键问题3 9 5 3 1 加载问题3 9 5 3 2 塑性准则的选择4 0 5 3 3 材料的力学性能参数4 1 5 3 4 加强收敛的方法4 2 5 4 应力场的数值模拟与分析4 3 5 4 1 热应力场的数值模拟结果4 3 5 4 2 残余应力数值模拟结果4 9 5 5 本章小结5 5 一 结论5 7 一 参考文献一5 8 致谢一6 1 c o n t e n t s c o n t e n t s c o n t e n t s i a b s t r a c ti nc h i n e s e i i i a b s t r a c ti ne n g l i s h i v c h a p t1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2r e s e a r c ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 1 2 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fq u e n c h i n gt e m p e r a t u r ef i e l d - 2 1 2 2n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f q u e n c h i n gm i c r o s t r u c t u r ef i e l d 3 1 2 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fq u e n c h i n gs t r e s sf i e l d 4 1 3r e s e a r c hc o n t e n t 5 1 4s u m m a r y 5 c h a p t2n u m e r i c a lm o d e lo fo u e n c h i n gr a i l 7 2 1n u m e r i c a l0 fh e a tc o n d u c t i o n - 7 2 1 1f o u n d a t i o no f h e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n s 7 2 1 2s o l u t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f q u e n c h i n gp r o c e s s 8 2 1 3i n i t i a lc o n d i t i o n so fq u e n c h i n g 一8 2 1 4b o u n d a r yc o n d i t i o n so f q u e n c h i n g 9 2 2f i n i t ee l e m e n td e s c r j p t i o no ft h e r m a ls t r e s s 10 2 3n u m e r i c a lo s c i l l a t i o no fs i m u l a t i o n 一1 0 2 3 1c o n c e p t i o no f n u m e r i c a lo s c i l l a t i o n 1 0 2 3 2s o l u t i o no f n u m e r i c a lo s c i l l a t i o n 1 1 2 4f o u n d a t i o n0 fn u m e i u c a ls i m u l a t i o nm o d e l 1 2 2 4 1b a s i ca s s u m p t i o n 1 2 2 4 2a n s y sm o d e lo f r a i lq u e n c h i n g 1 2 2 4 3f l o wc h a r to fc o m p u t a t i o n 。- 13 - 2 5s u m m a r y 一1 4 c h a p t3t h e o r e t i c a lb a s i so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 一l5 3 1b a s i cp r o c e s so ff e m 一1 5 - 3 2t h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ts o l u t i o n 1 6 3 3a d v a n t a g e sa n dd i s a d 、f f 气n t a g e so ff e m 17 3 4s u m m a r y 18 c h a p t4c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d 19 4 1m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l d 1 9 4 1 1b a s i ce q u a t i o n so f t e m p e r a t u r ef i e l d 1 9 4 1 2f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t e m p e r a t u r ef i e l d 一2 1 山东人。学i ：稗硕七学位论文 4 2f o u n d a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 2 3 4 2 1d e f i n i t i o no fe l e m e n ts t y l e 2 4 4 2 2d e f i n i t i o no fm a t e r i a lp r o p e r t i e s 2 4 4 2 3f o u n d a t i o no f g e o m e t r i cm o d e l 2 6 4 2 4m e s h ：1 6 - 4 2 5l o a d i n ga n ds o l u t i o n 2 8 4 3n u m e r i c a ls i m u l a t i o n & a n a l y s i so ft e m p e r p 汀u i 之ef i e l d 2 8 4 4s u m m a r y 31 一 c h a p t5c o m p u t e rs i 【u l a t i o no f s t r e s sf i e l d 3 3 5 1n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns t e p s 3 3 5 2t h e r m a le l a s t i c p l a s t i ct h e o r y 3 5 5 2 1b a s i ca s s u m p t i o no fs t r e s sf i e l d 3 5 5 2 2r a l a t i o n s h i po f s t r e s sa n ds t r a i n 3 7 5 2 3i n f l u e n c eo f p h a s ec h a n g e 一3 9 5 3k e yi s s u e so fs o l u t i o n 3 9 5 3 1l o a d i n g 3 9 5 3 2s e l e c t i o no f p l a s t i cc r i t e r i o n 4 0 5 3 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l 4 1 5 3 4m e t h o do f s t r e n g t h e n i n gc o n v e r g e n c e 4 2 5 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da n a l y s i so f s t r e s sf i e l d 4 3 5 4 1s i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e r m a ls t r e s s 4 3 5 4 2s i m u l a t i o nr e s u l t so fr e s i d u a ls t r e s s 4 9 5 5s u m m a r y 5 5 c o n c l u s i o n 5 7 r e f e r e n c e s 5 8 a c k n o w l e d g e m e n t 6 1 摘要 摘要 v 型钢导轨是万能工具磨床上的关键零件，为了保证钢导轨的性能要求，在整 个加工工序中给予了较多的热处理工序。在淬火冷却过程中，因为零件内部温度 分布不均匀，组织转变过程不均匀等而形成了热应力和相变应力，这些应力的存 在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。因此，研究淬火残余应力的形成及影 响因素是极为重要的。然而实验方法只能测出淬火后试样表层的残余应力，随着 数值分析技术的发展，运用有限元技术揭示淬火残余应力的形成过程及其大小与 分布，已经成为一种有效方法。 本文基于传热学基本原理，热弹塑性理论，采用有限元分析软件a n s y s ，对材 料为g c r l 5 钢的v 型钢导轨的淬火冷却过程进行计算机模拟计算。首先，综合考 虑材料热物性参数随温度的非线性变化、热传导等边界条件，采用有限元法，建 立v 型钢导轨的瞬态温度场和应力场的三维模型，实现淬火过程的温度场的动态 分析和精确计算，预测导轨各个时间段的温度场。其次，运用增量理论及相应的 弹塑性本构方程，并假设材料在塑性区满足p r a n d t l r e u s s 塑性流动法则，考虑 材料非线性、相变塑性等因素，模拟计算导轨在淬火过程中的应力场以及最终形 成的残余应力，为进一步研究热处理工艺参数对淬火过程的影响建立理论分析模 型。最后，利用本文建立的理论分析模型分别研究不同加热温度、冷却介质对淬 火温度场及应力场的影响，并分析导轨应力集中及易产生裂纹部位，为实现淬火 过程的智能化控制打下基础。 关键词：v 型钢导轨；计算机模拟；淬火；温度场；应力场 山东人。i ：程硕七学位论文 a b s t r a c t v - s h a p e dr a i li sak e yp a r to n au n i v e r s a lg r i n d i n gt 0 0 1 i nt h ee n t i r em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，t h e r e a r em a n yh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e si no r d e rt oe n s u r et h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so fs t e e lr a i l s d u r i n gt h eq u e n c h i n g ，u n e v e nt h e r m a ls t r e s sa n dp h a s e t r a n s f o r m a t i o ns t r e s so f t e na p p e a r sb e c a u s eo ft h en o n u n i f o r mi n t e m a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dm i c r o s t r u c t u r et r a n s f o m a t i o n t h ee x i s t e n c eo ft h e s es t r e s s e sw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h ep r o p e r t i e sa n ds e r v i c e l i f eo fp a r t s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h e f o r m a t i o no f q u e n c h i n g r e s i d u a ls t r e s s a n d i m p a c t f a c t o r si s e x t r e m e l y i m p o r t a n t h o w e v e r , e x p e r i m e n t a lm e t h o d sc a no n l ym e a s u r et h es u r f a c er e s i d u a l s t r e s s o fq u e n c h e ds p e c i m e n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a la n a l y s i st e c h n i q u e s ，t h e m e t h o d u s i n g f i n i t ee l e m e n tt e c h n i q u ew h i c hc a nr e v e a lt h ef o r m a t i o n ，s i z ea n d d i s t r i b u t i o no fq u e n c h i n gr e s i d u a ls t r e s s e sh a sb e c o m ee f f e c t i v e b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fh e a tt r a n s f e ra n dt h e r m a le l a s t i c - p l a s t i ct h e o r y , t h i s p a p e rm a d et h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rt h eq u e n c h i n gp r o c e s so fg c r l5v - s h a p e dr a i l w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec a l l e da n s y s f i r s t l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l di se s t a b l i s h e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dt h en o n l i n e a rc h a n g eo ft h e r m a lp a r a m e t e r s ，h e a tc o n d u c t i o na n do t h e r b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ea l l c o n s i d e r e d w i t ht h em o d e l ，d y n a m i ca n a l y s i s ，p r e c i s e c a l c u l a t i o na n dp r e d i c t i o ni nv a r i o u st i m ep e r i o do ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nq u e n c h i n g p r o c e s sc a nb er e a l i z e d s e c o n d l y , b a s e do ni n c r e m e n t a lt h e o r ya n dt h ec o r r e n s p o n d i n g e l a s t i c - p l a s t i c c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n ，a s s u m i n g t h a tt h em a t e r i a l s a t i s f y i n g t h e p r a n d t l - r e u s sp l a s t i cf l o wr u l ei nt h ep a l s t i cz o n e ，t h i sp a p e rm a d es i m u l a t i o no fs t r e s s f i e l da n dt h ee v e n t u a lr e s i d u a ls t r e s si nt h eq u e c h i n gp r o c e s sc o n s i d e r i n gt h em a t e r i a l n o n l i n e a r i t y , p h a s et r a n s f o r m a t i o np l a s t i c i t ya n do t h e rf a c t o r s t h i si sh e l p f u lt oe s t a b i s h t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h ep a r a m e t e r si m p a c to nh e a t t r e a t m e n t p r o c e s s f i n a l l y , t h i sp a p e rh a s s t u d i e dt h e i m p a c t o nt h e q u e n c h i n g t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n su s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s m o d e l ，s u c ha sh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gm e d i u m i tc a nb eh e l p f u lt of i n dt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dc r a c ks i t e sw h i c ha r ee a s yt oa p p e a ra n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o r i n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h eq u e n c h i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：v - s h a p e dr a i l ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；q u e n c h i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s s a b s t r a c t f i e l d v l 一 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 第1 章绪论 v 型钢导轨是力能工具磨床上的关键零件，用于对零部件进行支撑和导向作 用，直接影响到磨床的加工精度。其加工路线为：锻造一正火一退火一机加工一 磁探一淬火一冷处理一回火一机加工( 粗) 一定性一机加工( 精) ，淬火回火后硬 度6 0 h r c 1 1 。为了保证钢导轨的性能要求，在整个加工工序中给予了较多的热处 理工序。在淬火冷却过程中，因为零件内部温度分布不均匀，组织转变过程不均 匀等而形成了热应力和相变应力，这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和 使用寿命。研究导轨淬火残余应力的形成及影响因素是极为重要的。 热处理可以改变试件内部组织结构，获得预期的性能。在热处理过程中，试 件内部会发生十分复杂的物理现象，如瞬态温度场的变化、组织的转变、力学性 能的改变以及残余应力的产生等。这些物理现象也正是材料实现淬火硬化的主要 依据口l 。淬火是把钢加热到临界温度以上保温一定时间，然后以大于临界冷却速度 进行冷却从而获得以马氏体为主的不平衡组织的一种热处理工艺方法pj 。它可以显 著地提高钢的强度和硬度，如果与不同温度的回火相结合，则可以得到不同的强 度，塑性和韧性的配合，获得不同的应用。但是控制淬火工件内热应变和热应力 比较困难，事实上金属及合会淬火时包含了传热、微观组织和力学等现象。淬火 工作的温度场对淬火工件的残余应力分布和微观组织有重要的影响，因此淬火时 温度场和应力场的计算成为研究的重点。 目前普遍采用比较成熟的有限元法求解控制方程来模拟淬火过程的变化。所 使用的有限元软件有a d i n a ，a n s y s ，m a r c 等。大多数的模拟结果都得到了实验测 试数据的支持，取得了令人满意的效果。计算机模拟技术是发展材料学与工程技 术的桥梁。热处理计算机模拟有赖于计算传热学、相变动力学、热弹塑性力学、 数值计算等学科的发展。它不仅为热处理的计算机模拟研究与应用提供了坚实的 基础，同时它又促进了热处理模拟技术的迅速发展1 4 j 。热处理模拟技术不仅有强大 的计算功能，而且还可以显示任何时刻工件内任意截面上的温度场、组织场、应 力场，能使操作者观察到各种场量随时间推移的情况，也可以显示出用户所感兴 趣的任何点上的温度、应力、组织随时问的变化曲线，这样就为热处理工作者提 供了一个进行虚拟试验的工具| 5 j 。 v 型钢导轨热处理过程中，尖角效应引起的应力集中和热处理淬火温度偏高容 山东大学t 程硕士学位论文 易引起端面产生裂纹1 ，因此，对v 型钢淬火过程产生的温度场、应力场进行计算 机仿真具有重要意义。 1 2 淬火过程的计算机模拟研究现状 为了更精确研究钢淬火过程，同时为了减少实验费用，数值模拟被广泛用于 温度场、相变过程、热应变和热应力等钢淬火过程研究。温度场的模拟是钢淬火 过程众多模拟的基础和关键。所谓数值模拟就是以物理模型为基础，建立数学模 型，通过各种求解方法来求解各个场变量的一种科学研究方法1 6 j 。随着计算机技术 的发展，当前大容量、快速运算的计算机能够应用离散化方式得到足够精确并满 足工程需要的近似解，通过计算机进行求解己成为数值模拟的主要内容。从淬火 等热处理过程计算机数值模拟的研究情况和相关文献可知：金属及合金淬火数值 模拟的核心是研究淬火时试件与淬火介质问的换热情况、试件中温度场、应力场 和组织变化间的耦合关系。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术和热处理技术的不断发展和完善，国 内外许多学者对计算机数值模拟技术进行了大量的研究取得了丰富的研究成果。 研究内容涉及传热学、力学、流体动力学、计算机和自动化技术、数据和信号采 集技术、数值计算方法( 有限元差分法、有限元单元法、边界元法等) 、淬火温度 场、淬火应力场与残余应力场、淬火介质及其冷却能力、淬火时组织转变( 相变) 、 淬火时试件与介质问的边界换热情况、淬火相变动力学、材料热物性能、淬火后 试件机械性能、淬火过程试件冷却曲线测试、淬火过程可视化模拟技术等。 目前，对淬火冷却过程的模拟主要集中在三个方面1 7j ：淬火温度场的数值模拟、 淬火工件显微组织场的数值模拟和淬火工件内应力场的数值模拟。 1 2 1 淬火温度场的数值模拟 温度是涉及所有淬火工艺过程的基本参数，它的变化直接决定着工件内部的 组织结构和淬火后工件内部的残余应力。工件温度场的模拟计算是淬火冷却过程 计算机模拟的基础，是优化淬火工艺提高零件内在质量的主要依据。所以它的精 度直接影响到组织场及应力场模拟的精确程度。淬火时，工件中的导热和温度场 均与相变有关。有关研究结果表明，表面换热情况极敏感于实验条件。实验条件 的微小变化将引起不同的表面换热。要得到表面换热系数统一的数学表达式是十 分困难的【8 】。目前较为常用的方法就是采用反传热法来求解表面换热系数。表面 换热系数用于确定第三类换热边界条件，是温度场计算中的一个重要参数一l 。 第1 章绪论 目前，对温度场的研究已经比较深入，有限差分法和有限单元法都已经成功 地应用到温度场的数值模拟当中，而且近年来边界元法也正在被广泛地研究和采 用。国外对淬火试件温度场的模拟计算比较早，在二十世纪七十年代，前苏联、 日本等工业国就已经借助传热学和相变动力学开始编制温度场的计算程序；到了 八十年代，己经编制了一批非稳态温度场的计算机程序；八十年代末，随着精确 预报相变模型的形成和有限元技术的成熟，在淬火试件温度场的模拟计算中考虑 了相变潜热、物性参数随温度变化等因素的影响；九十年代以来，由于计算机处 理能力的提高，温度场模拟计算中最难处理的非线性问题正在逐步被解决i l0 。 m i c h a e lj c i a l k o w s k i 、n c t r z e jf r a c k o w i a k 、n m a l - n a j e m 、a m o s m a n 、 m m e l r e f a c e 、k i v i k h a n a f e r 等人通过t r e e f f z t 法研究了二维稳态热传导逆问 题的求解方法。他们提出有限元调和函数，用最小二乘法、边界元法等不同方法 估计了直角区域的表面温度、热流密度。结果表明，边界元法( b e m ) 是解决逆问题 的有效方法。l ix i n g 等人引出了一种闭式分析方法，h i c p 数值模拟的误差由实测 值和计算值决定。 1 2 2 淬火工件组织场的数值模拟 组织转变伴随着物性参数( 密度、比容、导热系数等) 变化和力学性能变化， 同时还要释放相变潜热，这对淬火试件的温度场和内应力场将产生很大的影响。 有关组织性能预测的方法很多。最早的是以淬透性测量与计算为基础的硬度 预报法。二十世纪三十年代，d a v e n p o r e 和b a i n p o q 在等温条件下，提出了t t t ( 等 温转变) 曲线。由于这种方法在等温条件下保温，观察不同保温时间的组织变化， 可以清楚地显示不同温度下的转变特征，因而得到了广泛的应用。但是由于淬火 冷却是连续的，t t t 曲线无法直接应用。四十年代提出了c c t ( 连续转变) 曲线，在 温度一时间坐标上标出各种冷却曲线过程中组织转变开始、终止的温度及转变量， 各种组织的丌始、终止的连线构成了一个完整的连续冷却转变曲线。这种曲线由 于直观、实用而得到了推广。n - 十世纪七十年代初，有两种描述组织转变过程 的方法，且o t t t 曲线法和c c t 曲线法，为组织转变的数值模拟提供了两种途径己j ， c c t 曲线被首先采用。七十年代末，h i l d e n w a l l l l 叫运用s c h e i l 叠加法则解决了t t t 曲线法模拟的难题后，t t t 曲线在淬火试件显微组织场模拟中迅速得到推广i ”泊j 。 d a v e n p o r e 和b a i n 在相变量的计算方面取得了重大进展，他们首先建立了等温 转变动力学和t t t 曲线图。此后，随着人们对相变动力学的深入研究，更能精确计 算出组织转变量的数学公式被归纳总结出来，女h a v r a m i 方程。该方程可以直接应 用于等温转变，还可以应用于连续冷却过程中的相变计算，并取得了满意的效果。 山力：大学t 千旱硕十学位论文 在实际连续冷却过程中运用t t t 曲线时，需要将时间进行离散，将连续冷却等效转 变为阶梯冷却，对于每个离散段时间可以按等温转变处理。s c h e i l 运用叠加法解 决了阶梯等温转变的叠加问题。 组织转变的数值模拟还在不断探索和完善之中。近年来，人们正在研究以相 变动力学和非稳态温度场耦合为基础的模拟计算方法，这种方法理论基础清晰， 便于考虑温度、应力等因素对组织转变的影响，因此，该法将成为今后的主要研 究方向。 1 2 3 淬火工件应力场的数值模拟 在淬火过程中由于工件内部温度分布不均匀就会导致组织转变也不均匀，从 而形成较大的热应力和组织应力。如果淬火工艺处理不当不仅达不到预期的组织 性能的要求，还会因为组织应力和热应力过大影响工件的使用寿命，甚至会产生 过大的变形或开裂而使工件报废。所以，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| l l 。在淬火冷却这一复杂过程中工件温度场、组织场和应 力场都在连续不断的变化，三者相互耦合。要准确模拟这一过程必须建立耦合的 数学模型，而它们之间的耦合关系复杂，牵涉面广。根据三维温度场传热学计算、 相变动力学计算、热弹塑性力学和有限元数值方法等方面的研究成果建立一个较 为完善的数学模型是个很关键的环节| l & ”j 。 国外对淬火工件内应力场的研究起步较早，但具有实际应用价值的研究则是 从二十世纪六十年代才开始。当时多采用解析法或一般数值解法计算简单形状工 件的热应力，计算中未考虑相变对热应力的影响，因此，计算误差较大。进入二 十世纪七十年代，内应力场的研究取得了突破性进展。人们采用了先进的数学模 型，即热弹塑性模型，并使用有限单元法通过计算机进行模拟，计算中考虑到加 载过程、冷却速度和膨胀系数随温度变化等因素，计算结果也比较接近实测值。 随着研究的不断深入，到了二十世纪八十年代，内应力场研究向更深层次发 展。此时，相变塑性、应力与相变的交互作用等因素被考虑，数学模型也越来越 逼近真实过程。a s i m o n 、6 b e c k 和s d e n i s i 丑”等人建立的钢淬火时的内应力计算 程序，把相变塑性作为附加塑性，并考虑到马氏体转变既能导致相变塑性又影响 相变动力学这一应力与相变的相互作用，计算结果与实测值吻合较好。同时，这 个时期计算机模拟己经开始向工业生产领域的实际应用推进，如对轴齿轮气冷淬 火过程采用热复合型进行了实际模拟，计算出了淬火过程试件的温度场、内应力 场和应变场。 目前，对淬火试件内应力场的研究主要集中在淬火过程中试件的瞬态温度、 第1 章绪论 相变、应力之间的耦合作用上i ：1 2 3 1 ，其目的是能准确地反映出实际过程各场量的 变化，较为准确地预测出淬火后试件内部组织、性能、残余应力和畸变。 1 3 本文研究内容 尽管淬火过程的计算机模拟己取得了很大进展，淬火工件温度场的计算机模 拟己日趋成熟，淬火工件显微组织场和内应力场的计算机模拟也已研究得较为深 入，但在生产中的实际应用却并不理想。利用计算机模拟技术对v 型钢导轨淬火过 程及裂纹产生研究较少，对其淬火工件温度场、显微组织场及内应力场之间的联 系研究也并不多。淬火工件温度场对淬火过程影响很大，有效地控制淬火温度及 冷却速度可获得较好的淬火效果。所以，以v 型钢导轨为对象，研究其在淬火过程 中温度场、内应力场与加热温度、冷却速度之间的关系，对指导淬火导轨和实现 淬火工艺智能化都非常重要。 基于这一工作思路，本文在系统地研究已取得的淬火过程计算