【文章內(nèi)容簡介】 n重軌軌頭熱處理中相關(guān)參數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。目前，對淬火試件內(nèi)應(yīng)力場的研究主要集中在淬火過程中試件的瞬態(tài)溫度、相應(yīng)、應(yīng) 力之間的耦合作用，其目的是能準(zhǔn)確地反映出實際過程各場量的變化，較為準(zhǔn)確地預(yù)測出淬火后試件內(nèi)部組織、性能、應(yīng)力和畸變。 研究內(nèi)容1． 依據(jù)傳熱原理，建立重軌的三維模型，用有限元方法研究重軌軌頭在淬火過程中的溫度場應(yīng)力場分布；2. 研究不同的壓強以及淬火噴風(fēng)時間對重軌溫度場、應(yīng)力場的影響，找出最佳的淬火噴風(fēng)壓強；3. 結(jié)合熱模擬實驗，為實際生產(chǎn)的正常運行提供理論依據(jù)。第二章 重軌淬火溫度場和應(yīng)力場的理論基礎(chǔ)5重軌淬火時，在重軌與淬火介質(zhì)間不斷換熱的同時，重軌內(nèi)存在溫差和熱傳導(dǎo)，重軌 內(nèi)的組織、溫度及應(yīng)力分布不斷發(fā)生變化。因此，為了研究并模擬重軌及重軌的淬火過程，就要研究重軌淬火時的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象以及導(dǎo)熱定解問題，分析重軌及材料的熱物理性能參數(shù)，探索重軌淬火時導(dǎo)熱問題的求解方法。 重軌淬火溫度場理論基礎(chǔ) 熱傳遞方式熱傳遞方式 【9【有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。而本文研究的是不同壓強下的噴風(fēng)冷卻的溫度場和應(yīng)力場，主要用到熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式，所以在下文中僅對這兩種熱傳遞方式做了簡單介紹：1. 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律 【10【： （）dxTkqn?? 式（）中， 為熱流密度（W/m 2）； 為導(dǎo)熱 系數(shù)（W/m℃）；負(fù)號表示熱量nq流向溫度降低的方向。2. 熱對流熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對流可以分 為兩類：自然對流和強制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述： （）)(BSnThq??式（）中， 為對流換熱系數(shù)； 為固體表面溫度； 為周圍流體的溫度。h B 重軌淬火時定解條件根據(jù)能量守恒定律和傅里葉定律，可以建立熱傳導(dǎo)問題的控制方程： （）tTcQzTkykxTk ????????)()()(式（）中， 為材料的密度； 為材料的比熱； 、 、 分別為沿x、y、z方?Tcxkyz向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q(x， y，z，t)為物體內(nèi)部的熱強度。26熱傳導(dǎo)問題的控制方程描述了重軌內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象時各點溫度的變化規(guī)律，方程對于內(nèi)部各節(jié)點都是普遍適用的。但滿足導(dǎo)熱 微分方程的解是無限多的，微分方程的解即數(shù)學(xué)上所說的通解中必定包含有待定的積分常數(shù)，要使這些待定常數(shù)唯一地確定下來，除了微分方程以外，還必須 再附加若干對所求解的特定導(dǎo)熱問題的自身特點和外部環(huán)境等情況的限定或者補充說明。這些附加的說明和限定條件即單值條件，數(shù)學(xué)上稱為定解條件。 對任何一個具體導(dǎo)熱問題完整的數(shù)學(xué)描述，除了經(jīng)適當(dāng)選擇 的坐標(biāo)下的導(dǎo)熱微分方程以外，還必須同時給出相應(yīng)的定解條件。對一般的導(dǎo)熱問題而言，單值性條件 【11【(定解條件)包括幾何條件、物理條件、初始條件、邊界條件等四個方面的內(nèi)容。幾何條件是指參與 導(dǎo)熱過程的重軌的幾何尺度、形狀。物理條件是指導(dǎo)熱重軌的主要物理參數(shù)和物理特征。 諸如有關(guān)的各項物性參數(shù)以及它們是否隨溫度變化，有沒有內(nèi)熱源存在，是否均勻分布等等。初始條件是指導(dǎo)熱過 程開始時刻重軌內(nèi)的溫度場。邊界條件是指導(dǎo)熱重軌在其邊界面上與外部環(huán)境之間在熱交換方面的聯(lián)系或相互作用。因此，為了研究并模擬重軌熱問題，就需要確定淬火工件的幾何條件、重 軌熱物性參數(shù)、淬火工件和淬火介質(zhì)的初始溫度分布(初始條件)、淬火工件外表面與淬火介質(zhì)之間的熱交換情況(邊界條件)等定解條件。 淬火時熱傳導(dǎo)初始條件重軌淬火時的初始條件包括重軌淬火前的初始溫度分布情況(溫度場)和淬火介質(zhì)的初始溫度均勻的，如 鍛件從室溫裝爐開始加熱，或者加熱到給定溫度，長時間保溫使工件內(nèi)部均勻熱透。此時一般認(rèn)為重軌的初始溫度場是完全均勻一致的，即有 ()0Tt?初始溫度場 【12【也可以是不均勻的，但重軌各點溫度值是已知的。此時 （）)(0zyxt、?式（）中， 為已知溫度函數(shù)。)(0zyxT、 重軌淬火的邊界條件重軌淬火時的邊界條件 【13【是指淬火工件外表面與周圍環(huán)境的熱交換情況。對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，它常常是使 導(dǎo)熱過程得以發(fā)生和發(fā)展的外界驅(qū)動力。而對穩(wěn)念7導(dǎo)熱來說，它是影響重軌內(nèi)溫度分布狀態(tài)的外部條件。常見的邊界條件有以下三類：（1）第一類邊界條件，是指重軌邊界條件邊界上的溫度或溫度函數(shù)為已知。用公式表示為： （）)(zyxTTss 、或 者 ????式()中，下標(biāo)s為重軌的邊界條件范圍； 為已知的重 軌表面溫度,為定值(℃)； 為已知重 軌的表面溫度函數(shù)，隨 時間 、位置的 變化而變化。zyxT、?（2）第二類邊界條件，是指重軌表面上熱流密度 為已知，規(guī)定熱流密度39。q的方向等同于邊界法線n的方向，其表達式為39。q （2. ）、（或 者 zyxtnTqnTss ??????????7）式（）中， 為已知重軌表面的熱流密度， 為定值( )；/2mW為己知重軌的熱流密度函數(shù)，隨位置、 時間而變化。）、（ zyxtq?（3）第三類邊界條件，又稱牛頓邊界條件，是指重 軌與其相接觸的流體介質(zhì)間的熱對流系數(shù)以和介質(zhì)溫度乃為已知。其表達式為 （2. )(cksTHnT??????8）為簡化計算機編程，將上述三類邊界條件統(tǒng)一為用第三類式子表達。當(dāng)為第一類邊界時，取 ， 為一極大值即可。cT??k當(dāng)為第二類邊界時，最常用的是絕熱邊界，即 ，此 時取 = 0即0???snT?kH可。當(dāng)為三類邊界條件時，最常用的是對流系數(shù)和輻射混合的換熱邊界，其表達式為 )()(4ccks TTHn??????????= s）= )(c??（）式中，H 為總換熱 系數(shù)： skH??為輻射換熱系數(shù)：s28 ))((2ccs TH?????（）式中溫度值要用絕對溫度表示； 為 Stefan．Boltzmann 常數(shù)，； 為重軌表面的輻射率。)/(?????工程問題中越來越多地出現(xiàn)非線性的輻射邊界或自然對流邊界，即導(dǎo)熱重軌的表面與外界環(huán)境之間以輻射或者自然對流換熱的方式相聯(lián)系。例如在高壓氣體淬火時，淬火介質(zhì)是氣 態(tài)的，或在高真空 環(huán)境中， 邊界上的輻射換熱往往成為主導(dǎo)因素，或至少與對流方式并重。即使在線性換熱邊界條件中，當(dāng)已知的溫度、換熱 系數(shù)、熱流密度等參數(shù)隨著材料的物性參數(shù)、 導(dǎo)熱時間及材料中溫度場的變化而發(fā)生變化時，線性 換熱邊界條件就變?yōu)榉蔷€性換熱邊界條件。以往的研究結(jié)果表明，重軌及淬火時 的換熱邊界條件是非線性的，主要是由淬火時相變的產(chǎn)生和淬火材料的物性參數(shù)隨溫度而變化等原因引起的。因此，要對淬火過程進行精確地數(shù)值模擬，需要準(zhǔn)確確定特定問題的換熱邊界條件。 重軌淬火應(yīng)力場理論基礎(chǔ) 熱彈性和熱塑性問題對重軌淬火時，由于溫度變化劇烈，不 僅會引起彈性變形， 還會一起塑性變形。對重 軌進行淬火處理的 時候，引起 應(yīng)力的原因是溫度分布不均，各 節(jié)點的膨脹量不同，屬于熱彈性和熱 塑性問題 【14【。材料 進入塑性狀態(tài)后而是物理非線性的。為了便于有限元計算，須做線性化處理。一般 處 理彈塑性問題采取如下的一些假設(shè)： 1)塑性 變形不引起體積改變，即體積不變定律： （）0321??pp?式(2．11)中， 分別表示三個主變形方向塑性應(yīng)變分量。p321?、根據(jù)體積不變定律，可導(dǎo)出塑性變形時的泊松系數(shù)為 =。?2)重軌 材料的屈服服從 屈服準(zhǔn)則。同 時，還顯示出各向同性強化。Mise屈服準(zhǔn)則為：當(dāng)?shù)刃?應(yīng)力達到屈服極限時，材料開始屈服。即：Mise （）s??式( )中， 為等效應(yīng)力， 為屈服極限。?s對于軸對稱問題，為書寫方便，用 記四個 ，432 zrr???、z9并寫做 ???}{}432?（）表示應(yīng)力向量。這時等效應(yīng)力 表達式為 ??}3)()()(21{ 2413232 ????（） 3)應(yīng)變強 化規(guī)律。從 單向拉伸試驗結(jié)果可以看出， 對 于大多數(shù)重軌材料，屈服后卸載或部分卸載，然后再加 載，其屈服 應(yīng)力就會增加，這就是應(yīng)變強化。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，設(shè)新的屈服 應(yīng)力只與卸載前的等效塑性應(yīng)變總量有關(guān)，即只有當(dāng)應(yīng)力適合式時才會發(fā)生塑性變形。