【正文】 或部分卸載，然后再加 載，其屈服 應(yīng)力就會(huì)增加，這就是應(yīng)變強(qiáng)化。?s對(duì)于軸對(duì)稱問題，為書寫方便，用 記四個(gè) ，432 zrr???、z9并寫做 ???}{}432?（）表示應(yīng)力向量。Mise屈服準(zhǔn)則為：當(dāng)?shù)刃?應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，材料開始屈服。?2)重軌 材料的屈服服從 屈服準(zhǔn)則。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(gè)主變形方向塑性應(yīng)變分量。材料 進(jìn)入塑性狀態(tài)后而是物理非線性的。 重軌淬火應(yīng)力場(chǎng)理論基礎(chǔ) 熱彈性和熱塑性問題對(duì)重軌淬火時(shí)，由于溫度變化劇烈，不 僅會(huì)引起彈性變形， 還會(huì)一起塑性變形。以往的研究結(jié)果表明，重軌及淬火時(shí) 的換熱邊界條件是非線性的，主要是由淬火時(shí)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。例如在高壓氣體淬火時(shí)，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(duì)流方式并重。當(dāng)為三類邊界條件時(shí)，最常用的是對(duì)流系數(shù)和輻射混合的換熱邊界，其表達(dá)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(duì)溫度表示； 為 Stefan．Boltzmann 常數(shù)，； 為重軌表面的輻射率。當(dāng)為第一類邊界時(shí)，取 ， 為一極大值即可。）、（ 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(duì)流系數(shù)以和介質(zhì)溫度乃為已知。q的方向等同于邊界法線n的方向，其表達(dá)式為39。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(shí)間 、位置的 變化而變化。而對(duì)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。)(0zyxT、 重軌淬火的邊界條件重軌淬火時(shí)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。此時(shí)一般認(rèn)為重軌的初始溫度場(chǎng)是完全均勻一致的，即有 ()0Tt?初始溫度場(chǎng) 【12【也可以是不均勻的，但重軌各點(diǎn)溫度值是已知的。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。初始條件是指導(dǎo)熱過 程開始時(shí)刻重軌內(nèi)的溫度場(chǎng)。物理?xiàng)l件是指導(dǎo)熱重軌的主要物理參數(shù)和物理特征。對(duì)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?xiàng)l件、初始條件、邊界條件等四個(gè)方面的內(nèi)容。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。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(shí)各點(diǎn)溫度的變化規(guī)律，方程對(duì)于內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)都是普遍適用的。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述： （）)(BSnThq??式（）中， 為對(duì)流換熱系數(shù)； 為固體表面溫度； 為周圍流體的溫度。2. 熱對(duì)流熱對(duì)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。而本文研究的是不同壓強(qiáng)下的噴風(fēng)冷卻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，主要用到熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種方式，所以在下文中僅對(duì)這兩種熱傳遞方式做了簡(jiǎn)單介紹：1. 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)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。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(shí)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(shí)導(dǎo)熱問題的求解方法。 研究?jī)?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(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分布；2. 研究不同的壓強(qiáng)以及淬火噴風(fēng)時(shí)間對(duì)重軌溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響，找出最佳的淬火噴風(fēng)壓強(qiáng)；3. 結(jié)合熱模擬實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際生產(chǎn)的正常運(yùn)行提供理論依據(jù)。結(jié)果表明, 準(zhǔn)確選擇淬火時(shí)加熱、保溫時(shí)間和風(fēng)冷時(shí)的壓強(qiáng), 能顯著降低軌頭的淬火應(yīng)力, 對(duì)U71Mn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。他們提出有限元和函數(shù)，用最小二乘法、邊界元法 【7【等不同方法估計(jì)了直角區(qū)域的表面溫度、 熱流密度結(jié)果表明邊界元法(BEM)是解決逆問題的有效方法。20世紀(jì)90年代以來，由于計(jì)算機(jī)處理能力的提高，溫度場(chǎng)模擬計(jì)算中最難處的非線性問題正在逐步被解決。盡管從數(shù)學(xué)模型、物性參數(shù)、換熱系數(shù)等都進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，但是在計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)還是非常有意義的。淬火過程的計(jì)算機(jī)模擬在我國(guó)發(fā)展較晚。至20世經(jīng)80年代初，已經(jīng)編制了一批非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)程序；奧地利的對(duì)淬火過程進(jìn)行了 熱彈塑性分析，并對(duì)比了等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化、ferRamsto蠕變、相 變塑性等對(duì)模擬結(jié) 果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變 塑性對(duì)應(yīng)力影響較大，而蠕變影響較小可以忽略；日本的T．Inoue對(duì)淬火和回火過程進(jìn)行了持續(xù)、系統(tǒng)的物理模擬研究和數(shù)值模擬研究，他 們開發(fā)出的熱處理數(shù)值模擬軟件“ HEARTS可對(duì)中小型零件的水淬、滲碳淬火、感應(yīng)淬火進(jìn)行數(shù)值模 擬，并得到 實(shí)際測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證。CCT曲 線法模 擬的難題后， TTT曲線在淬火試件顯微組織場(chǎng)模擬中迅速得到推廣。國(guó)外對(duì)淬火試件淬火數(shù)值模擬計(jì)算比較早，數(shù)值模擬研究始于70年代。淬火過程的計(jì)算機(jī)模擬是熱處理過程計(jì)算機(jī)模擬的重要組成部分。20世紀(jì)70年代以來，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展， 熱處理過程的數(shù)值模擬也隨之成為一個(gè)舉世關(guān)注的研究領(lǐng)域。在 熱處 理過程中， 試件內(nèi)部會(huì)發(fā)生十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如瞬 態(tài)溫度場(chǎng)的變化、 組織 的轉(zhuǎn)變、力學(xué)性能的改 變以及殘余應(yīng)力的產(chǎn)生等。這是因 為，一方面是 對(duì)冷卻介質(zhì) 的應(yīng)用還存在著一定的片面性，另一方面是對(duì)冷卻介質(zhì) 的應(yīng)用在水平上還沒有達(dá)到很深的層次上，甚至還停留在表面的層次上。可是就是這種工藝也不是很完善的。但是，冷卻后的硬度值普遍偏低，且由于冷卻時(shí)間過長(zhǎng)，無法保證較高的生產(chǎn)率。目前國(guó)外除獨(dú) 聯(lián)體外，日、美、澳等國(guó)均采用風(fēng)淬。淬火軌硬度可至合適并均勻一致。因?yàn)閴嚎s空氣冷卻噴風(fēng)器不像噴霧器那樣會(huì)發(fā)生阻塞，冷卻速度基本恒定，對(duì) 重軌表面狀態(tài)不敏感，可以保證淬火質(zhì)量。而工人師傅完全憑經(jīng)驗(yàn) 判斷，于是 產(chǎn)品質(zhì)量不高或次品率較大，重 軌生產(chǎn)效率大大降低。風(fēng)冷具有溫度和濕度常常是變化不定的特點(diǎn)；霧冷的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性能不穩(wěn)定和熱能揮發(fā)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象；水冷的特點(diǎn)是水不易揮發(fā)，狀態(tài)不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致熱處理不夠或過度，噴水時(shí)間稍長(zhǎng) 就容易引起淬火部位出現(xiàn)馬氏體組織，但是水的導(dǎo)熱性能比霧氣好。因此，淬火過程的深入研究對(duì)工程實(shí)際大有重要的指導(dǎo)意義，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬 【4【有助于淬火工藝設(shè)計(jì)，便于選擇合適的淬火工藝調(diào)整方案，可以大大減少試驗(yàn)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值，已成為當(dāng)今熱處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。生 產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火過程是熱處理過22程 【3【中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難掌握的環(huán)節(jié)，它涉及到試件的溫度場(chǎng)、顯微組織場(chǎng)和內(nèi)應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)和介質(zhì)的流場(chǎng)等，測(cè)量和理論分析難度都很大。盡管如此，淬火過程仍存在很多問題需要解決，原因之一就是淬火是一個(gè)工件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、組織場(chǎng)及淬火介質(zhì)流場(chǎng)耦合的 過程，但是關(guān)于 這一耦合過程尚缺乏成熟的定量的統(tǒng)一理論 【2【。因此研究重軌 內(nèi)部的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要意義。重軌淬火是提高其韌性和耐磨性的主要途徑之一。由于硬度的普遍提高，重軌的脆性、韌性以及凈度等問題又重新突出了，重軌在冷卻不均勻的情況下，重軌內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化情況不僅直接影響相變，而且對(duì)內(nèi)應(yīng)力也產(chǎn)生很大的影響。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、鐵路運(yùn)力的提高和火車速度的提高，對(duì)重軌 性能的要求也在提高。關(guān)鍵詞：重軌，淬火，溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)， ANSYSSimulation of quenching temperature field and stress field for heavy rail based on the ANSYSAbstractThe specification of 50kg／ m—heavy rail was taken as investigated subject in this paper． In this model．the equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent heat on temperature filed and the transformation stress which resulted from phase trans