（材料物理与化学专业论文）多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 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( 4 2 c r m o 钢、g c r l 5 钢、t 8 钢、2 0 c r m n t 钢i 、6 5 m n 钢、 2 0 c r m o 钢、4 5 钢和2 0 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、s c h e i l 叠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m s c m a r c 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。 关键词：淬火介质；换热系数；反传热法；冷却曲线，非线性估算法 多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算 c o m p u t e rc a l c u l a t i o no nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs e v e r a lt y p i c a l s t e e l si nd i f f e r e n tq u e n c h a n t s a b s tr a c t t h eh e a tt r a n s f e rc o e f 矗c i e n ti sc o n s i d e r e da sa no b j e c t i v ea n dd i r e c t p a r a m e t e rt o e s t i m a t et h ec o o l i n ga b i l i t yo fq u e n c h a n t s ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r y b o u n d a r yc o n d i t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h es i m u l a t i o no ft h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ，p h a s e t r a n s f o r m a t i o n m i c r o s t r u c t u r ef i e l d ，a n dt h e r m a ls t r e s sf i e l d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n d e p e n dm u c ho nt h ea c c u r a c yo ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，a n dt h er e l i a b l ep r e d i c t i o no ft h e p r o p e r t i e so fah e a t t r e a t e dw o r k p i e c er e q u i r e sa c c u r a t ed a t ao ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t d u r i n gh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i nt h i st h e s i s ，i n v e r s em e t h o d o l o g yi n s t e a do fad i r e c ta p p r o a c hh a sb e e na p p l i e dt o c a l c u l a t eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，b a s e do nt h ec o o l i n gc u r v e so fq u e n c h i n ge x p e r i m e n t p r o c e s si nw h i c h8t y p i c a ls t e e l s ，n a m e l y ，4 5s t e e l ，t 8s t e e l ，4 2 c r m os t e e l ，2 0 c r m os t e e l ， 2 0 c r m n t is t e e l ，g c r l 5s t e e l ，6 5 m ns t e e la n d2 0s t e e la r eq u e n c h e di nd i f f e r e n tq u e n c h a n t s w i t ht h en o n l i n e a re s t i m a t em e t h o da n dt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h ec a l c u l a t i o no ft h e n o n l i n e a rs y n t h e t i cs u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sc a r r i e do u t w h i c hi s c o u p l e dw i t h p h a s et r a n s f o r m a t i o np r o c e s so fs e v e r a lt y p i c a ls t e e l sd u r i n gq u e n c h i n g 1 h ec o n t i n u o u s c o o l i n gp h a s et r a n s f o r m a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，w i t ht h ea i do ft h e1 盯d i a g r a m ，t h e s c h e i l 、ss u mp r i n c i p l ea n di s o t h e r m a lt r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c s t h i st h e s i sh a sa n a l y z e da n d c o m p a r e dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，2 dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a x i s y m m e t r i cm o d e li se s t a b l i s h e db yt h em e a n so ff i n i t ee l e m e n tf f e ls o f t w a r em s c m a r c ， w h i c hi su t i l i z e dt os i m u l a t et h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dc o u p l e dw i t hp h a s et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s sa n dn o n l i n e a rs y n t h e t i cs u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs e v e r a lt y p i c a ls t e e l si nt h e d i f f e r e n tq u e n c h a n t s a n dt h i st h e s i sh a sc o m p a r e dt h es i m u l a t e dv a l u eo f2 dt r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，t h ec o m p a r i s o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e s i m u l a t e dv a l u ea n dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e dv a l u ef i tc o m p a r a t i v e l yw e l l ，a n ds h o wt h a t t h eo b t a i n e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sh a v er e a s o n a b l ea c c u r a c y ki 。q j 叩眦 k e yw o r d s q u e n c h a n t ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；i n v e r s eh e a tc o n d u c t i o nm e t h o d ； c o o l i n gc u r v e s ；n o n l i n e a re s t i m a t em e t h o d 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 年上月斗 大连理正大学硕士学位敝 1 绪论 l 。 前言 随着现代科学技术的发展，对机械攀件的性能和可靠性的要求也越来越高，金属零 孛痣在兹牲能弱菝量，狳丁糖瓣残分特征强，主癸是在热魏童避理形成熬。热憝理粼是 热加工过程的最后一道工序，起着举熙轻重的作用，重要的零部件都要程然处理工艺过 程中做最后的调整。金属及合金的淬火是一种金属加工工艺，间时淬火冷却过程也髓热 处蘧忑艺孛熬一个重要强繁。淬火冷熹】技术是摆愈演及会垒纛爽氏镩纯之蓐，按照镁定 盼方溅冷却，以获得预期的缀织和性能的加工技术。通过淬火处理，金麟及合金材料的 性能( 如表面硬度、强度、服役寿命等) 均能够得到极大的改善和提升，以满足各种产 瑟对衾羼麓秘熬娶求| - 2 l 。 金属及合金材料工件程淬火后的健能取决予箕在淬火后的微观组织，掰淬火后的微 观级织决定于金属及合金的成分和淬火冷却速度镣因素。而改善金属及含金材料工件的 漳逶效果有嚣令较势常用鹃穷法翻，一蹙提蹇越搴喜豹舍金元素食耋使e 熬线右移；二是 提高淬火冷却速度。后者怒稀简单劳行、成本低廉的方法，是改善金属及合金材料工 件淬火质量的有效途径。同时，淬火过程热应力和组织应力大小取决于冷却速度和冷却 均匀榷吲，困鼗，控制冷却速度和冷却均匀性对涔火工艺的优纯有着重簧意义。焉滓火 介质静合理选择对控镱冷却速度和冷却均匀性起瑚了关键俸潮，因此在辩金属及合众工 件进行淬火冷却时，应该选用具有合遗冷却特性的淬火介质。碳钢和低念金钢淬火冷却 到酗o 之蓠，嶷氏终比较稳定，允谗以较漫豹速度冷却，以躐少由子麓俘内强澄戆掰 引越的燕应力。猩6 5 0 4 5 0 的范藤内，要求静足够侠的冷却速度( 越过箍秀冷繇速 度) ，低予4 0 0 时，特别是在m s 点以下，应该缓慢冷却，以减少组织应力，防此过 大熬嗨变彝滓裂瑰象发生嘲。霆为不融金属及会鑫糖辩的奥民体最不稳定区静湿度嚣闯 和爽菠体动力学魏线都不签相同，霞忿瑾想静冷帮龉线会因材料的不丽谳交纯。襄爨得 到一种能够很好满足不同材料淬火要求的淬火介质实际上是不可能实现的，所以，为了 更好黉毂控铡淬火过程的冷翔速度鄹冷却均匀牲，滋嚣使淬火爰转得到预裳的良好性能， 黯番孝孛淬火介震的冷帮特链釉冷却麓力进行7 解磷究是菲常必要酶。 多种常用钢在不阁淬火介质中换热系数的测算 1 2 淬火介质的传热过程及常用淬火介质的种类 + 2 。 淬灭奔霞豹僚熬过程 垒属及合金材料工件在淬火介质中冷却时，工件表面的抉热经历了纛个阶段：臌态 沸腾阶段、核态沸腾阶段、对流换热阶段嘲。 1 璇态沸腾阶段 炽热的工件漫入介质中，立即在工件表面产缴火量的蒸汽，形成一羼包围工件的蒸 汽璇，将工彳牛鸟潞火液体奔鹱隔开，换热主要蔹嚣蒸汽膜辐射遴孝亍，透为蒸汽骥的热传 导系数很小，罴热的不受等体，所 ；这个时候的冷速较小。_ l 琏：帮所谓鹃膜沸疆阶段。 2 梭态沸腾阶段( 又称泡状沸腾阶段) z 转表瑟瀵发簿到一寇馕下，表露耩产生豹蒸汽藿少予蒸汽麸表覆逸驻静量，王传 表面的蒸汽膜破裂，进入棱淼沸腾阶段。在此阶段淬火奔质液体直接与曩件表面接触， 冷却速度骤增。从膜态沸腾阶段向核沸腾阶段转变的温度为“特性温度”。 3 。砖滚羚菠 旦工件表筒温度降至介质的沸点以下，沸腾停止，此盾通过对流使得工件继续冷 却，这是冷速最慢的阶段。核沸腾阶段向对流阶段的转变温殿称为“对流开始温度”。 ，2 2 鬻稻淬必余震麓分类 常用的淬火介质包括；水、无机物水溶液、淬火油，高分予聚合物淬火介质等吼 1 。水 一 承是最吉老薜。蕊置氇蹩迄今为疰仍常焉盼漆火夯震。它载之方霞，价格低廉，安 全、清洁，对环境没有污染。水的冷却能力比较强，但是其膜沸腾阶段长，静止水的蠼 大表麓换热系数嶷4 0 0 c 以下，在马氏体转变区域的冷却速度较大。水濑慰水冷却能力 有强烈影睫，因诧淬火求禳鹩溢度应该绦持在毒o 辍下。魏静，水静浸瀑涟度低，黪定 水的冷却特性不是很理想。循环、搅动和增加延工件表面的水流动速度，能够促使熬汽 膜提晕破裂，从两提高水的冷却能力。 2 ，秃税窃承溶液 水中加入某魑无机盐或碱，可以加快蒸汽膜破裂，提前j 入泡沸腾阶段，提高高温 区域的冷却速度，使得金属以合金工件获得较厚的淬硬层。常用的无机物水溶液有：戴 纯镧承溶液、碳酸锈承溶液、蠹挈e 纯镧承溶滚，氯像钙本溶液、：过饱纛磷酸薤痰溶液棼。 3 淬火油 大连理工大学硕士学位论文 油的特性温度高于4 5 0 0 ( 清水约为3 0 0 0 ) ，接近奥氏体不稳定区，但是油的换 热系数和冷却速度比水小很多。油的沸点较高，对流阶段开始的温度比水要高，因此油 在低温阶段的冷却速度比较缓慢。常用的淬火油的种类有：全损耗系统用油、普通淬火 油、快速淬火油、超速淬火油、分级淬火油等。 4 。有机聚合物淬火介质 有机聚合物淬火介质有逐步取代淬火油的趋势e s ，是淬火介质的主要发展方向【9 j 。 此类淬火介质中含有各种高分子聚合物的水溶液，配以适量的防腐剂和防锈剂，使用时 根据需要加水稀释成不同浓度的溶液，可以得到水、油之间和比油更慢的冷却能力。有 机聚合物淬火介质的冷却速度受到介质浓度、使用温度，搅拌三个因素的影响，一般说 来，浓度越高，冷却速度越低；使用温度越高，冷却速度越低：搅拌程度越剧烈，冷却 速度越快【埘。常见的高分子聚合物淬火介质有：聚乙烯醇( p v a ) 、聚二醇( p a g ) 、 聚乙二醇( p e g ) 等。 1 3 淬火介质冷却特性的评定方法 目前常用的淬火介质冷却特性的评定方法有：冷却曲线与冷速曲线法、淬火冷却烈 度h 值法、淬火介质表面换热系数法i n 】 1 冷却曲线与冷却速度曲线法 该方法是将热电偶的热端焊接在淬火试件( 热探头) 的指定位置上，记录冷却过程 中温度随时间的变化的曲线。冷却曲线各点的切线斜率即为冷却速度，可以得到冷速与 温度的关系曲线。冷却曲线法的关键是测温试件( 热探头) 的设计，只有热探头的材料、 尺寸、结构以及热电偶都相同的情况下，才能应用冷却曲线对不同的淬火介质的冷却特 性进行比较。可是遗憾的是，在相当长的一段时间内，各国所使用的热探头各不相同。 我国国家标准g b 9 4 4 9 1 9 8 8 规定采用妒1 6 m m x 4 8 r a m 心部焊接熟电偶的银探头。国际标 准化组织制定了用于测定淬火油冷却速度曲线的i s 0 9 9 5 0 探头，探头材料为i n c o n e l 6 0 0 合金，尺寸为妒1 2 5 r a m x 6 0 m m ，热电偶的热端固定在探头中心【1 1 1 。日本现行的冷却性 能实验方法所使用的探头是表面测温圆柱形的银探头，探头的本体尺寸是 妒1 0 m m 3 0 m m ，测温点在圆柱表面l 捌。 冷却曲线和冷却速度曲线直观地反映出不同冷却阶段冷却速度的变化。可以用于比 较不同的淬火介质的冷却性能。用标准试样测定冷却曲线和冷却速度曲线是目前非常常 用的评定淬火介质的特性的方法。也可以用来衡量不同的因素( 例如介质温度。搅拌速 度、老化程度和杂质等) 对冷却特性的影响。但是，由于冷却曲线给出的是反映探头心 部和某一固定位置热电偶的温度时间曲线，仅凭这一点的冷却曲线很难对不同介质冷却 一3 一 多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算 能力的差异做出定量的评价。应该说，目前冷却曲线仍处于相苴定性比较阶段，尚没有 一个被普遍接受的方法去寇量评价冷却照线。为此人靠j 进行了大量的研究王作，其翻灼 是幕麓筢够建吏冷帮鼗线豹定量评徐方法，并希颦够将冷帮黯线与工传滓必后静埝金 性能联系起来，实现淬火后的组织、硬度和力学性能的预测。这些工作包括t c n s i 等人 的漫润时闯法f 1 3 j ，n s c i c 冷却工艺过程精密分析法f 1 4 1 ，冷却孵间与速度参数法1 1 5 l ，6 0 0 - - 3 0 0 c 冷却鼗线西积法嘲，v 筐法朔等。 2 浠火冷却烈魔法 恕滓火介质从金属及会袅工传吸收热量静能力定义为淬火烈痍，曩淬火烈度h 袭示 淬火介质酶冷却强度。霹箭邋用静珏镳建“g r o s s m a nh 筐”，另外还青缀大式h 德， g r o s s m a nh 值朔坂大式h 值可以按照一定的系数进行转换。从1 9 3 9 年c , r o s s m a n 提出 h 毽以来，淬火余震壤域大爨的工作是蹋绕它来谶孽子豹1 1 司。但是淬火烈度没有明确鲍物 理意义，哭是大致反暧淬火介质静平麓捩热系数斡舞低。它霰设导热系数籁换燕系数不 随温度变化，而实际情况是它们随温度魑数量级变化；同时余属及合金的肆热系数和热 扩散暴数也驻滠发改变；此辨，珏值不糨定，同工件太小有关，对水和浊黼种分质来说， 珏餐陡着工俘静足寸静增大箍壤奎。 3 袭筒换热系数法 袋嚣挟热系数是掺在单锭辩翅内，恣王传表露单位面积_ 穰漳火余质流体之阕熬平均 温度箍为l 时，金属及会众工件表面筚位面积帮淬火介质流体之阉所传递的热量l 糯。 冷却曲线反映探头心部温度随时间的变化，而换热系数熄反映表面热量传递的速 率。麓冷却魏线攘滋，换热系数麓更加塞鼹遮反映余震淬火能免戆变化，所以换热系数 酶藤爨、计算帮威用也正在逐渐孳l 莛入们的重视鳓。 上述对淬火介质冷却特饿进行评寇的三种方法备有优点和局限性，成为本论文的工 终歪怒对淬火分袋表覆换熟蓉数豹计算，掰 = 之_ 在零孽孛将若璧趟表嚣换热系数法豹栩关 内容谶行阐述。 1 4 淬火过程的表面综龠换热系数 4 ，l 表面换热系数的概念 对金属及合众工件进行淬火处理时必然要涉及到工件表灏与淬火介质问的表面挠 熬壤滋。表嚣换热是摇不弼物蕨或者 # 均匀魏震分缓表嚣之溺，由予弱者戆温度不弱箍 引起的热量在两个物体的界褥处进彳亍交换的过程辫- = l 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 依据两物体闻进行热交换的速率大小和热交换的程度，表面换热情况有静态表面换 热、准静态表面换热和动态表面换热三种：静态表面换热是两个物体具有相同温度， 不存在温度梯度，进行着无限缓慢的热量交换；准静态表面换热( 稳态表面换热) 是 两个物体间存在着恒定的温度梯度，进行着相对恒定的热量交换的过程；动态表面换 热过程是两个物体间的热量交换过程时刻会改变，两者间的热交换过程受到多种因素影 响。通常在实际的热量交换过程中以准静态表面换热和动态表面换热居多。金属及合金 工件淬火冷却时的表面换热不同于热传导过程，热传导吲是指在同一物质内部，由于存 在温度梯度，能量从高温区向低温区转移的过程。在材料学和淬火过程的研究中，通常 用表面换热系数来表征金属及合金工件在淬火过程中的表面换热。 材料的表面换热系数属于材料的物理性能参数。材料物理性能参数是与热力学有关 的材料物理性能参数的通称，材料物理性能参数主耍有比热容c 。、密度p 、导热系数a 、 导温系数口、相交潜热q 、热膨胀率以及表面换热系数h 等f 2 1 - 2 2 。表面换热系数既不同 于热传导过程中导热系数，也不同于对流换热过程中的对流换热系数，更不同于辐射换 热过程中的辐射换热系数，而是一个表示在淬火过程中物体接触表面间进行各种形式换 熟的综合当量系数，通常用h 来表示，对应于各种不同的表面换热情况，表面换热系数 也可以分为静态表面换热系数、准静态表面换热系数和动态表面换热系数三种。 1 4 2 研究计算淬火过程表面综合换热系数的意义 如前文所述，对金属及合金工件进行淬火处理时，工件淬火后的质量和淬火后材料 的机械性能的好坏与淬火冷却介质、淬火工件和淬火介质间的换热情况、冷却方法间的 关系非常密切。因此，为了准确地模拟金属以及合金材料的淬火过程，必须研究工件与 淬火介质间的表面换热情况，并评定淬火过程中淬火介质的冷却能力。在计算机模拟中， 边界条件是一个关键问题，通常用淬火时表面综合换热系数与淬火工件表面温度间的关 系来评定淬火时冷却介质的冷却能力。淬火时的表面综合换熟系数不仅是淬火介质冷却 能力评价的一种方法，也是对计算机模拟影响最大的条件之一金属及合金材料淬火时 的表面综合换热系数对温度场影响很大，表面综合换热情况将直接影响温度场的分布进 而影响到淬火后金属以及合金材料淬火后的残余应力、微观结构以组织场分布情况。所 以研究金属及合金材料淬火时的表面换热情况在研究金属及合金材料淬火时的温度场、 应力场、组织场等方面占有相当重要的地位【2 1 1 。 1 4 3 表面综合换热系数的研究现状 关于金属及合金材料表面换热系数测定的相关研究并不多。近年来，为了能够很好 地模拟金属及合金材料的淬火温度场、应力场、组织场，开始出现了一些专门测量和计 一5 一 多种常用钢在不j 弼淬火介质中换热系数的测算 算金属及合金材料表面换热系数的研究工作。这然研究工作大多是根据备种简化方法加 上特殊豹边界条伴，裙始条传或者是特稼的工件形状加以推倒和演变褥感的。在一些霄 关表瓣综合换燕系数测算豹研究工作审旋用了有隈惩法，甚黧边赛元法。避来关手袭瑟 换热系数测算的研究表明：淬火时，表面综合换热系数极其敏艨于实验条件，实验条件 豹微小变化，将会使淬火时酌表面换热系数产生较大的误差。因此寻求实验与数值测算 褶缭念的方法来计算淬火辩懿表蟊综合疑热系数成隽当蘸磅究秘一个圭藜方向瞄j 。磁年 来的研究工作主臻有以下几个方向： l 。淬火介质、淬火工件尺寸形状和淬火工件表面状态对表嚣换热系数的影响。 2 袭蔷综合换煞系数静不鞠溯算方法。 3 袭面综合换热系数的数假模拟和计算机程序的歼发等。 荚予淬火聪寝西换热的代表性研究有： m n a r a z a k i 等入l l 译缀慈缮7 蠢拳遥年来骞笑淬火奔壤冷帮筢秀方舔懿磅究逶蕊， 具体包括探头的几何形状、搅拌作用、淡面状况( 如表面氧化层、表面涂层、表面糨糙 度) 筹对换热系数的影响以及获得换热系数的方法和测量淬火介质冷却能力的方法镣。 m r a u d e n s k y l 2 4 j 采m5 0 0 m i n x 5 0 0 m m x 踟戆搽头试襻遴行了换热系数熬谤舞， 在试样内部的不f 司位置上固定有1 0 个热电偶。研究发现：热电偶位置离袋面越远，计 算的稳定性越豢，而在一个计算步中选用的采样数据个数起卷重要的作用，该个数的最 佳篷妊缓保迁冀法静数蓬稳定往，袋缓德赘遥撂菇绥采蠲试冀法，塞羁褥翻稳定豹瓣。 此方法还可以进步扩展到一维、二维甚至三维情况。对于反传热求解按热系数的非线 性特 芷和所有参数相互影响的特征，必须通过迭代的方法加以解决l z 5 j 。 h e m a n d e zm o r a l e s 等入隅分裂诗冀了不锈钢秘合金锈在窳、薤零、渎秘空气孛熬表 面换热系数。遇进比较不同淬火介质换热系数曲线发现：高的正件初始潺度会提高蒸汽 膜的稳定性，延长稳定膜的沸腾和过渡沸腾阶段；较热的淬火浴也会增加蒸汽膜的稳定 性；警| 入耱瑾撵撵惹会导致蒸汽貘稳定瞧减弱。 j v b c c k f 2 7 l 详细讨论了几种反传热方法，并且将计算结果和实验结果进行了比较。 同时，j v b c c k 和a m o s m a n 还研究了材料热处理淬火过程中换热系数j 阳热流密度的 壤撬。王俘包疆警叛、嚣接俸帮球转，雾显编铡7 壤孝q u e n c h i d ，京戆够选取殛戆 个将来时间步计算。将此方法应用于其佬问题，如项端淬火实验中的表面换热系数的催 算，结果表明该方法能够提供淬火过程的快速而准确的分析和热处理数据。 m n a r a z a k i 2 s l 兔t 提毫漳久：l 妻程数馕摸攘精度，对溃漳浚撵遴露了换煞系数魏溯鐾 和计髯。结果表明：模拟所得的冷却曲线与测量结果吻合得较好。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 d o n g y i n gj u 陟删测量了圆柱体和圆盘齿轮毛坯的几个特殊部位冷却曲线与换热系 数，并且进行了冷却过程的温度场模拟。结果表明：搅拌减小了不同部位换热系数的差 异，同时也使得畸变的分散度减小。 1 9 8 0 年p r i n c e 和n e t h c ，1 】等人根据逆求解思路给出了一种确定平板淬火过程中温 度与表面换热系数关系的有效方法。但是该方法的不足之处是处理具体问题时没有考虑 金属相变组织场对表面综合换热系数的影响。 在国内有关换热系数的研究中，程眉等人吲在实验的基础上，开发了淬火工件与介 质边界换热程序，该程序通过反算法计算边界换热系数，并且利用该程序与a b a q u s 非线性有限元软件对淬火过程温度场进行了数值模拟，模拟结果与实验结果之间的误差 在1 0 以内 程赫明等人采用4 5 钢的圆柱探头进行了换熟系数的研究f 3 3 嗣闻，认为可以在考虑 相变的基础上，用有限差分法来计算表面换热系数。程赫明等人还对高压气体淬火过程 中热传导方程的逆问题进行了研究，得出了气体淬火过程中表面换热系数与温度之间的 非线性关系i 期1 3 9 4 0 i 。 潘健生等人【4 1 j 建立了一维反传热模型进行了表面综合换热系数的计算，并且讨论了 计算过程中不同的时间步长和空间步长对计算结果的影响。 胡志东等人1 4 2 】建立了通过测定探头中心温度反推探头表面温度的数学模型，并且确 定了相应的数学方法。 山东大学的李辉平等人【4 3 】把有限元方法引入到反传热问题中，并且对相变潜热进行 耦合计算，同时结合最优化方法中的进退法和试探法迭代求解，利用采集系统得到的温 度曲线计算得到相应温度下的换热系数。 陈乃录，廖波等人i 棒蜘对淬火介质动态冷却特性做了测量和评价，并且计算了动态 冷却过程中的介质换热系数。 王宇挺等人【4 6 】进行了多种常用钢热探头在不同淬火介质中的冷却实验，并且对实验 结果建立了数据库，为表面换热系数的计算提供了必要的实验数据。 1 4 4 计算淬火时表面换热系数的方法 由于淬火时表面综合换热系数受到很多因素的影响，除了介质本身的物理性能会影 响表面换热系数的大小以外，外界条件，包括：介质温度、搅拌速度、介质流经工件表 面时的压力、工件的大小以及工件表面的状态等等因素，都会对表面换热系数有很大的 影响，因此测定具体条件下的表面换热系数是困难的。而直接计算求解表面综合换热系 数也存在一定的困难。其原因主要有：在金属及合金工件的淬火冷却过程中，工件的 多种常用钢在不同淬火介质中抉热系数的测冀 表面岛介质之间徉在不同的换热情况；工件及淬火介质的热物性参数，随温度的变化 面呈 # 线性变化；淬火冷龆对，工件从高温冷却剿介质温发是一个较为短暂的过稷， 霹蓠滩戳餍实验豹方法来测定不藏温瘦下工俘静表稀换燕系数；淬火 霪猩中，金耩墨 件表两急剧冷却，金属材料自身发生热传导，同时众属工件与淬火介质之间进行着动态 换热避程，淬火介质内都又进行着热量交换，这一系列豹复杂过程都会对换熟系数的测 量产袅影嚼湖。 由于上述原因前人对淬火过程的表黼综合换热系数做了许多理论上的研究，并且设 计了几秘不同的方案对换热系数进行计算，目前计算换热系数豹主要方法碴- 4 1 1 4 7 4 8 1 ： 1 衰筒温度壹接寐解法 袭面温度赢接求解法是测定淬火时波面换热系数最为简便的方法，该方法是在鼹离 淬火薹l 孛袁耍缀邂的位置她蠼设热电偶，或者将热魄偶点焊在淬火工件的袭蘑土，将热 电偶所溅得静滠发随淬火冷郫对篱静交亿倩况俸魏淬必工俘袭蘑温度隧辩闻交纯豹 j 擎 况，然后应用淬火时的换热边界条件和有限差分原理求解淬火时工件内的瞬态温度场。 进焉求解淬火对襞嚣综合换热系数。这釉算法比较成熟可靠，麓单易行，龙其是对予窝 冷、妒冷等冷却过程较隽缓移的情况院较适合。毽怒诧方法鹃缺点就是熬瞧褥鼢霹囊鸯 一定难度，并且灏温度的变化比较大的臂寸候，由予受到测量精度的限制，计算误差将会 较大。 2 。避寝萄双测点整分求解法 避表面双测点差分求解法又称为温度梯度法，其原理是计算温度梯魔时，用表面处 或者怒近表蟊处苟表嚣以下1 5 m m - - 2 0 m m 处的滋麓除以嚣个灏点阗的溅离。锺公式袭 示如下： 根据表面换热的边界条件： 碑o 。乏；- 五萼l ( 1 1 ) 熊南乱。 氆妨 式中： 为工件袭筒与介质之间的换热系数( w ( m 2 。c ) ) ；i 为工件表面溆度( 。c ) ；墨 秀z 伟周围奔震滋缱 4 c ；。 一8 - 大连理工大学硕士学位论文 由式( 1 2 ) 可知，只要测定出近表面的温度梯度兰l，即可以求出换热系数。 d 譬i ，- o 为了应用近表面双测点差分求解表面综合换热系数，需要进行实验研究，许多国内 外的研究者先后设计了用于实验的测试探头，比较有代表性的探头是以b l i s i c 等人1 8 3 1 发明的i , i s i c - n a n m a c 探头。该探头结构严谨，可靠性好，但是制造成本比较高，算法 比较粗糙。近表面双测点差分算法的主要优点是回避了反问题的求解，计算中不存在振 荡、发散的问题。其缺点主要有： 1 1 两个测点要求在近表面，并且深度尺寸要求精确，在大尺寸工件上实施有一定的 难度。 实验测试的热电偶不易安装和固定。 3 1 直接位于工件表面的热电偶容易发生破坏，并且测试的误差较大。 4 ) 热电偶放置于工件表面时，不能够确定所测得的温度是工件的表面温度还是介质 温度，或者是工件表面和淬火介质的混合温度。 5 ) 热电偶的引入也会对工件的温度场产生影响。 3 反传热求解法 当淬火介质是水、油或者其它液体时，工件表面温度测量有困难，所以只能将测温 点转移到工件内部，并且由内部的温度变化来推算出表面处的换热系数，称为反传热问 题。反传热求解换热系数的主要思路是：考虑表面综合换热系数计算过程的敏感系数， 将敏感系数与熟传导温度场耦合形成耦合敏感系数的热传导温度场，求解敏感系数场以 及温度场，应用有限差分原理确定表面换热的热流密度，从而计算得到表面综合换熟系 数。本论文工作中正是运用了反传热求解法求解淬火介质的表面综合换热系数，所 以在后续章节中将会对反传热求解法有详细的阐述。 1 4 5 表面换热系数研究中存在的问题和展望 在以往研究热传导问题时，对所涉及到的表面综合换热系数较多地采用常数或简单 的线性式来表示，对表面换热过程机理的研究大部分停留在对流换热机理，沸腾换热机 理、以及辐射换热机理上，往往从各种机理出发，分别给出与各种机理相对应的表面换 热系数的计算经验公式和半经验公式例。至今为止，淬火过程的综合换热系数的计算公 式还不能明确给出，对于可能同时进行着对流换热、沸腾换热和辐射换热等多种形式换 热过程的金属材料来说，应用几种简单机理分别确定出的表面换热系数显然与整个实际 淬火过程的换热情况不相符合。目前，关于单相自然对流换热过程中换热系数的研究已 经较为完善，但是在研究泡态沸腾换热和膜态沸腾换热过程中，仍需事先通过一些模型 一9 一 多种常用钢在不同漳火介质中换热系数的测算 结合实验来给出系列计算热流量的凇数，然后得出计算表黼综合换热系数的经验公 式。这些经验公斌忽略了诲多影嫡因素，并且将整个淬火过程考虑成理想模型两得到舱， 通遥经验公式静计算褥餮静换热系数势盛会给嚣续热应力、熟应交静译算簪l 入偏差，爨 此如何有效合理地计算表面综合换热系数还有待予进一步的研究 。s 瓤s c 。m a r e 软舞麓会 m s c m a r c 怒高级的非线性有限元分析模块，m s c m c n t a t 蹙m s c m a r c 后处理图形 的对话界面。作为国际上第一个通用非线性商用有限元软件，m s c 。m a r c 软件从2 0 世纪 约冬健诞生至今豹三多霉孛鑫经发袋藏秀瑗蕤强大，赛瑟震黟豹骞羧嚣软箨系绞。窀 拥有完善的单元霹、材料模攫库和求解潞，保证它能够高效地求解各类缩构的静力和动 力中的线性、高度非线性问题，稳态和瞬态热分析及热力结构耦合问题，电磁场问题， 漉终力学超瑟，潺凌辘承润趱，驭及多壤藕合阕嚣；友努戆鬻形瘸户爨瑟翔程枣结魏荔 学易用；接口的开放性使用户很方便的扩展程序功能。 m s c m c n t a t 是新一代j 线性有限冗分析的前厝图形交互界面，它与m s c m a r c 求 解器燹缝连接、家其窍班a s i c 燕痰孩辨一流实髂逶墼凌毙；金垂动二绫篡霆形帮戮逑 形、黧维四面体和六面体网格自动鲻分建模能力；赢观灵活的多种材料模越定义和边界 条件的定义功能；分析过程控制定义和递交分析、自动检查分析模型完籀性的功能；实 露蕊挖分据功戆；方便熬霹襁亿楚理计舞结果毙力，势基虿坟煮接访超害髑熬c a d c a e 系统。 m s c m a r c 悬功能齐全的高级非线憔有限元软件的求解器，它具有极强的结构分析 旋力，霹戳楚理务耪线性霹彗线性魏臻毒奄分褥。它提供7 丰塞熬结擒摹元、连续攀元髑 特殊单元的单元庠；m s c m a r c 的结构分析材料库掇供了模拟众属、非众耩、聚合物、 等多种线性和非线性复杂材料特性的材料模型。m s c m a r c 软件提供了多种功能强大的 热载步长塞适应撩铡技寒，鑫动骥定分辑趣载步长，弱时m s c m a r c 事越豹嬲搐自逶应 技术，班多种误麓准则自动调节网格疏密，这些技术既保证计锋精度，同时也使菲线经 分析的计算效率大大提高。此外，m s c m a r c 支持众自动网格黛划分，用以纠正过渡变 形詹产生霹揍琏交，确保丈变形分橱熬缝绥。曩兹，m s c , m a r c 有限元分辑软转正数富 强大的分析功能丽被广泛应用于许多领域的生产与辑研中i 蹋。 。6 本论文的擞要工佟 目前，淬火介质挟热系数的实测数据还十分有限，基于这样的现状，举文提出根据 王宇挺等人所设计完成的多种常用钢热探头在不同淬火介质中淬火冷却的实验，以该安 大连理工大学硕士学位论文 验记录的探头内部多点的淬火冷却曲线为依据，应用隐式有限差分格式和非线性估算法 解决多种常用钢热探头在不同淬火介质中淬火冷却的反传热问题，计算得到4 2 c r m o 、 g c r l 5 、t 8 、2 0 q m n t i 、6 5 m n 、2 0 c r m o 、4 5 钢、2 0 钢等八种常用钢于不同淬火介质 中的表面综合换热系数。在本论文的计算中综合考虑了淬火过程相变潜热以及非线性热 物性参数对换热系数计算的影响。 比较分析同一种常用钢探头材料在不同淬火介质中的换热系数以及不同探头材料 在同一淬火介质中的换热系数。 为了验证计算得到的常用钢在不同淬火介质中淬火冷却的换热系数，本文利用大型 有限元软件m s c m a r c 作为模拟平台，建立了二维非线性有限元模型，以换热系数作为 模拟的边界条件，考虑组织转变释放的潜热对温度场的影响，模拟计算了常用钢探头的 淬火过程，对实际淬火冷却实验记录的冷却曲线和对应位置的模拟计算值进行了比较分 析。 多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算 2 基本理论 在本论文换热系数的计算过程中将涉及到传热学基本理论、相交动力学基本理论、 以及反传热数值算法等理论基础，现简要介绍如下： 2 1 传热学基本理论 传热学理论是是一门研究热量传递规律的科学。热力学第二定律指出只要有温度差 存在，热量总是会自发地从高温物体向低温物体传递，或是从一个物体的高温部分向低 温部分传递。由于温度差普遍存在于自然界中，所以热量传递是一种很普遍的现象。在 实际热量传递过程中，根据温度对时间的依赖关系的不同，可以将热量传递过程区分为 稳态热传导过程和非稳态热传导过程两大类。在热传导过程中，物体中各点温度不随时 间改变的热传导过程定义为稳态热传导，反之，各点温度随时间而改变的热传导过程定 义为非稳态热传割5 1 1 。 淬火冷却过程中，金属及合金工件在介质中进行冷却，工件表面与淬火介质之间会 不断发生换热，同时工件的内部也存在热量的传递，而且整个内部温度场是会随时间而 变化的，所以工件的淬火冷却过程是一个非稳态热传导问题。因此，要计算淬火过程工 件的表面综合换热系数，首先就要求建立固体热传导的数学模型和本构关系，模拟工件 的淬火冷却过程，研究这个过程中工件内部的热传导现象，并求得定解。 2 t 1 热传导基本定律矧潮 热传导的基本定律为f o u r i e r 定律，它在稳态热传导的条件下可以描述为：热流正 比于温度梯度，热流正比于垂直热流方向的单位面积，公式表示为： 个 q - 一m 竺 ；( 2 1 ) u 或表示为： 吼，a 孕；( 2 2 ) 吼一l ：； 弘印 “ 式中q 是z 方向上的热流率，即单位时间的热流量( w ) ；吼是x 方向单位面积的热 流率，称为热流密度( w m 2 ) ，4 是垂直于热流方向上的表面积( m 2 ) ；a 是材料的导热 系数；d 叫出是x 方向上的温度梯度( 。c m ) ；公式中的负号表示传热方向永远和温度梯 度的方向相反 大趣工大学硕士学位论文 基于f o u r i e r 定律，并根据热传导过程中的能量守恒定律，可以推导出具有内热源 项非稳态三维热传导微分方程： ，詈= 丢( a 罢) + 专( a 詈) + 击( a 罢) “； g 对于各向同性材料来说，热传导系数九为一个常数，故上式可以写成： 孵婴a f 窑+ 粤+ 粤h ； ( 2 4 ) p c ，百以i 矿+ 矿+ 矿卜。 瞄叼 对于圆柱坐标系，该方程( 2 4 ) 可以表示为： 胪，婴。a f 粤+ ! 罢+ 三粤+ 窑1 + g ； ( 2 5 ) 昨百以l 矿+ 7 石+ 7 万+ 万p 。 瞄。j 当在轴对称问题中，妒不起作用，所以方程( 2 5 ) 可以表示为： ，婴a f 窑+ 三婴+ 窑h ； ( 2 6 ) 以百“i 矿+ 7 虿+ 可p 5 式中g 表示内热源的热流密度( w m 2 ) ；r 为温度( 。c ) ；t 为时间( s ) ；p 为材料密度 ( k g m 3 ) ：c ，表示定压比热容 j ( k g 。c ) 。 由上式可以发现，在轴对称热传导问题中，有径向和轴向两个维度来描述温度场。 当淬火工件为较长的圆柱体( 圆柱体的轴向长度大于两倍的圆柱体直径) 时，在建立温 度场模型的过程中，可以将这样的圆柱体工件视为无限长圆柱体，对应的热传导方程就 可以转变成一维非稳态热传导方程。不含内热源项的轴对称一维非稳态热传导方程可以 表示为： 肛。婴a f 窑+ 三婴1 ； ( 2 7 ) 蚂百“l 矿+ 7 石j 5怕 2 1 2 热传导过程的定解问题和定解条件 要研究和模拟金属及合金工件在淬火过程中的温度场，就要对热传导过程的数学物 理方程进行求解，因此分析定解问题及定解条件就成为求解数理方程的必要步骤。 多种常用钢在不同淬火介质中换热系数的测算 1 定解问题【5 3 】 建立在能量守恒定律和f o u r i e r 定律基础上的热传导微分方程是熟传导过程中固体 内部温度场分布的一般描述，固体工件在各种热传导过程中的内部温度行为都可以通过 数学方法求得满足于热传导微分方程的通解。然而就解答实际的工程技术问题而畜，只 得到满足方程的通解是不够的，而是要求解出一个特解，使这个特解既满足热传导微分 方程，同时又满足具体工程问题所给出的一些特定条件。这些使得微分方程获得特定解 的附