【《PC钢棒热处理的有限元模拟分析案例》2700字】

PC钢棒热处理的有限元模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u838PC钢棒热处理的有限元模拟分析案例 1298261.1PC钢棒感应加热的模拟 1223881.1.2感应加热的模拟参数设置 2289541.1.3感应加热的结果 2269811.2PC钢棒水淬过程的模拟 3191321.2.1PC钢棒水淬的几何模型 3149151.2.2水淬模拟材料的参数设置 467791.2.3水淬模拟的物理场设置 5289561.2.4水淬模拟结果分析 5154401.3实际测量与模拟结果分析 81.1PC钢棒感应加热的模拟PC钢棒材料为低碳合金钢，它的感应加热过程属于典型的铁磁性材料穿透式、连续感应加热，即无限长的钢棒在感应加热线圈中连续运动的情况下，钢棒整体被加热到所要求的热处理温度[21]。

1.1.1钢棒感应加热的几何模型本次研究采用COMSOLMultiphysics模拟PC钢棒的感应加热过程，PC钢棒几何模型的直径为12.6mm，长度为2m。感应加热使用三个线圈，PC钢棒的材料为30MnSi合金，线圈的材料COMSOL系统自带的铜合金，对已经建好的三维几何模型进行网格的划分。本次模拟采用四面体网格进行网格划分，线圈的网格划分采用常规网格划分大小，PC钢棒的网格划分采用最大单元大小为0.03m的网格大小来划分网格，划分网格后的结果如图1.1所示。图1.1网格划分的几何模型1.1.2感应加热的模拟参数设置本次感应加热过程中的模拟参数设置如表1.1所示。表1.1模拟参数设置名称表达式值描述airbox_widthR_coil*30.54m气室宽度dx_part0[m]0m位移(x)dy_part0[m]0m位移(y)emissivity0.50.5钢坯表面发射率h_coil24[cm]0.24m线圈长度h1_coil38[cm]0.38m线圈1长度h2_coil26[cm]0.26m线圈2长度h3_coil30[cm]0.3m线圈3长度N_coil1000010000线圈匝数r_coil14[cm]0.14m线圈内半径R_coil18[cm]0.18m线圈外半径T_amb20[degC]293.15K环境温度T_in50[degC]323.15K钢坯初始温度u_trans1.25[cm/s]0.0125m/s钢坯平移速度1.1.3感应加热的结果本次模拟采用稳态分析，通过控制感应电流的频率来达到所需要的感应加热钢棒的温度，本次感应加热模拟需要模拟淬火温度和回火温度，淬火温度在900～1000℃，回火温度在400～500℃，通过多次模拟，最终选定的模拟淬火时感应加热的频率为30Hz，模拟回火时感应加热的频率为1.4Hz，模拟的温度结果如图1.2和1.3所示。图1.2淬火时的感应加热图1.3回火时的感应加热通过以上图片可以发现，改变感应加热时的频率，可以来改变钢棒加热时的速率，从而提高加热温度，为了更好地观测钢棒温度，我选取最右侧钢棒出口处横截面为观测面，它的温度大小如下图1.4和1.5所示。图1.4淬火时横截面温度图1.5回火时横截面温度1.2PC钢棒水淬过程的模拟1.2.1PC钢棒水淬的几何模型本次研究采用COMSOLMultiphysics模拟PC钢棒的的水淬过程，计算其水淬过程的温度、组织变化，以及淬火后钢棒的残余应力。由于钢棒是轴对称图形，所以本次模拟采用二维轴对称图形来进行模拟，钢棒的直径为12.6mm，长度取20mm，本次模拟采用自由剖分四面体网格进行网格划分，对整个钢棒模型进行网格划分，其中包含582个域单元和62个边界单元。划分后的网格如图1.6所示。图1.6水淬时钢棒几何模型1.2.2水淬模拟材料的参数设置水淬模拟设置钢棒的材料为30MnSi，材料的相关参数包括钢棒中奥氏体、珠光体、贝氏体和马氏体相的物性参数，如表1.2所示，各相的导热系数如图1.7所示。通过相关文献[21]，还有了解从奥氏体到珠光体、奥氏体到贝氏体和奥氏体到马氏体相的与温度相关的函数。表1.230MnSi钢材料性能参数泊松比(1)热膨胀系数(℃-1)密度（kg/m3）相变塑性系数（1/MPa）奥氏体0.32.2e-578505e-5珠光体0.31.5e-578505e-5贝氏体0.31.5e-578505e-5马氏体0.31.4e-57850图1.7各相的导热系数淬火过程中冷却介质设置温度不变，淬火冷却介质选择水，其传热系数均来自其他文献查询得到[22]。如图1.8所示。

图1.8水的传热系数1.2.3水淬模拟的物理场设置本次水淬模拟采用物理场有固体传热、固体力学和金属相变。固体传热模块设置钢棒上端与下端对称，设置外部温度为80℃，可以假设钢棒的长度为无限长，所以钢棒外表面与水接触冷却，其他方向不与水接触，设置水的传热系数。固体力学模块设置钢棒的预应力和预应变。金属相变模块设置奥氏体相的成分为1，其他相成分为为0，设置从奥氏体到珠光体、奥氏体到贝氏体的金属相变过程，相变模型采用系统自带Leblond-Devaux模型，从奥氏体到马氏体的金属相变过程，相变模型采用系统自带Koistinen-Marburger模型，马氏体开始转变温度为350℃。1.2.4水淬模拟结果分析本次水淬模拟采用对比分析，将淬火温度分别设置为930℃、960℃和980℃，然后分别进行水淬模拟，其他条件如上述情况不变，模拟时间为600s，时间步长设置为10s。得到的钢棒模拟结果，首先，在结果中淬火温度930℃的钢棒二维界面上选择四个二维截点。位置如下图1.9所示。之后可以得到截点位置的温度变化和轴向应力的变化，如图1.10（a）和（b）所示。图1.9截点图1.10（a）截点的温度曲线（b）截点的轴向应力曲线由上述图片可知，它的表面温度下降的比心部要快，由于水与钢棒表面最先接触，所以，表面与内部之间存在温差[23]，表面下降的速率比心部快，与实际情况相似。轴向应力的变化从一开始有下降趋势，但在100s左右时，钢棒温度达到马氏体转变温度，发生马氏体转变后，产生相变应力。所以，在马氏体转变后，钢棒的轴向应力提高，600s模拟结束时，最大的轴向应力在200~300MPa。模拟误差不大，与实际相符合。600s模拟结束时，模拟结果中还可以马氏体相的含量。如图4-11所示。图1.11马氏体含量由图可知，马氏体含量从表面到心部组织降低，由于所以水与钢棒表面最先接触，所以它的温度下降的比心部要快，会先一步发生马氏体转变，在表面基本上奥氏体转变为马氏体，表面的马氏体含量最多，而心部温度下降速率较慢，可能发生珠光体和贝氏体转变，但最终还是会发生马氏体转变，所以，越靠近心部，心部的马氏体含量越少。最符合实际情况。本次水淬模拟采用对比分析，将淬火温度分别设置为930℃、960℃和980℃，然后分别进行水淬模拟，其他条件如上述情况不变，模拟时间为600s，时间步长设置为10s。模拟轴向应力结果如图1.12（a）、（b）和（c）所示。图1.12轴向应力（a）淬火温度930℃（b）淬火温度960℃（c）淬火温度980℃由上图可以得知，淬火温度为930℃时，水淬产生最大的轴向应力为271MPa，淬火温度为950℃时，水淬产生最大的轴向应力为267MPa，淬火温度为930℃时，水淬产生最大的轴向应力为265MPa，并且轴向应力的最大值都是出现在心部，往边缘表面部分逐次减少，最大的轴向应力在200~300MPa，符合实际情况。我们可以得出结论，随着淬火温度的升高，水冷后的应力却有所下降，我们可以通过控制淬火温度的不同，来实现残余应力控制。1.3实际测量与模拟结果分析本次实测数据是在不同淬火温度下的PC钢棒部分力学参数如下表1.3所示。PC钢棒在不同淬火温度下的硬度值如下表1.4所示。表1.3不同淬火温度下的PC钢棒力学参数淬火温度伸直性延伸率屈强比抗拉强度屈服强度935℃0.8/8h8.0%0.941480MPa1395MPa955℃1.12/8h8.0%0.941493MPa1411MPa表1.4PC钢棒的硬度淬火温度935℃淬火温度955℃硬度HRC（淬火）心部48.5表面52.5心部51.5表面52.8硬度HRC（回火）心部43.5表面47.5心部45.5表面48由上表可以得知，淬火温度由935℃到955℃时，它的伸直性增大，由于温度