【正文】 本文以規(guī)格為50kg／m的重軌為研究對象，通過綜 合考慮材料熱物性參數(shù)隨溫度的非線性變化、熱傳導(dǎo) 及高壓氣體冷卻等動態(tài)邊界條件，運用ANSYS軟件，采用有限單元法，建立了淬火重軌的瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的三維模型。通過ANSYA軟件仿真淬火重軌各個時間段的溫度場。在數(shù)值模擬計算的過程中，輸入在不同的噴風(fēng)壓力下的對流換熱系數(shù)，得到相應(yīng)的溫度場和應(yīng)力場結(jié)果，并對結(jié)果進行了分析。得到最佳的噴風(fēng)冷卻 時壓強，從而 為實際生 產(chǎn)制定合理的重軌淬火工藝提供了依據(jù)。近幾年隨著計算機技術(shù)、有限元技術(shù)、人工智能技 術(shù)的發(fā)展, 使各國學(xué)者可根據(jù)淬火過程數(shù)學(xué)模型,利用有限元技術(shù)計算各場量, 再利用計算機圖形學(xué)理論動態(tài)顯示零件淬火過程中溫度、組織、 應(yīng)力應(yīng)變、殘余 應(yīng)力及零件變形隨時間變化的情況. 根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果, 找出適合工藝要求的工藝參數(shù), 并為實際生產(chǎn)過程提供參考或指導(dǎo)實際生產(chǎn). 我國是一個以鐵路運輸為主的國家。無論是歐洲的傳統(tǒng)型鐵路， 還是城市型鐵路都要求重軌具有更高的硬度。這些淬火過程出現(xiàn)的問題，可能會導(dǎo)致重 軌軌頭出現(xiàn)掉塊、裂 紋 等現(xiàn)象，從而影響列 車的正常運行、降低鐵路的使用效率，甚至對列車的安全運行造成隱患。實踐證明，在重軌軌頭使用淬火熱處理的重軌不僅提高了重軌的強度和使用壽命，而且大大提高了安全使用性能。目前普遍采用比較成熟的有限元法 【1【求解控制方程來模擬淬火過程的變化所使用的有限元軟件有ANSYS 、MARC、ADINA等，大多數(shù)的模擬結(jié)果都得到了實驗測試數(shù)據(jù)的支持，取得了令人滿意的效果。淬火處理的實質(zhì)就是通過適度調(diào)整和控制淬火介質(zhì)的流速、溫度以調(diào)整和控制淬火試件的溫度場、顯 微組織場和內(nèi)應(yīng)力(應(yīng)變)場，使得試件獲得所需要的組織、性能和較小的殘余應(yīng) 力及殘余形變。淬火過程是一個各種場相互耦合的復(fù)雜過程，要在理論上求解各場量的解析解是非常困難的，甚至是不可能的。 影響重軌淬火技術(shù)的主要因素重軌的淬火過程是個相當(dāng)復(fù)雜的過程，一般有風(fēng)冷、霧冷、水冷三種方式 【5【。如果熱處理不當(dāng)，殘余應(yīng)力比較大，出 現(xiàn)開裂現(xiàn)象，或者硬度不夠。實踐證明，采用壓縮空氣冷卻可以克服上述缺點。當(dāng)工藝參數(shù) 優(yōu)選后，只要重 軌含碳量大于0． 7％，使用壓縮空氣可以使奧氏體實現(xiàn)向索氏體的轉(zhuǎn)變，并且能夠保證熱處理后的材質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。不會出 現(xiàn)馬氏體 組織。采用單一的介質(zhì)風(fēng)淬，工藝穩(wěn)定，操作簡便，確保了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性能。對 大斷面的60Kg／m， 75Kg／m淬火軌來說， 僅僅采用風(fēng)淬則無法達到對淬硬層深度的要求，而且有許多待改進之處，所以出現(xiàn)了“ 先噴風(fēng)，后 噴水 的工藝。主要的問題仍然是淬火重軌的硬度偏低。3 重軌淬火數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀熱處理的實質(zhì)是使鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，通過加熱、保溫和快速冷卻的方法，改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變 其性能的一種工藝。這些物理現(xiàn)象也正是材料實現(xiàn)淬火硬化的主要依據(jù)。對于一些與熱處理相關(guān)的學(xué)科，如數(shù)值計算方法、傳熱 學(xué)、熱應(yīng)力理論、相變動力學(xué)、 計算流體力學(xué)等在國內(nèi)外都丌展了較為深入的研究，從而為熱處 理過程的計算機模擬和仿真技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。它能對試件的溫度場、顯微組織場 和內(nèi)應(yīng)力場進行耦合計算，給出每一瞬間的溫度場面、顯微組織場和內(nèi)應(yīng)力場，并能直接地觀察到各場量在淬火過程中的變化情況，這樣就可以在節(jié)省大量的人力、物力、財務(wù)和時問的情況下對試件進行全面的分析，預(yù)測試件淬火后的組織性能，從而可對淬火工藝方案進行優(yōu)化，使工藝更加高效合理。20世紀(jì)70年代初，當(dāng)組織轉(zhuǎn)變 數(shù)值模擬提到日程上來時，就有兩種描述組織轉(zhuǎn)變過程的方法，即TTT曲線法和CCT曲線法， 為組織轉(zhuǎn)變 的數(shù)值模擬提供了兩種途徑。1978年瑞典學(xué)者 計算了滲碳鋼的淬火殘余應(yīng)力，在計算時使用了Hidenwal最初用于根據(jù)等溫轉(zhuǎn)變的孕育期預(yù)測連續(xù)冷卻時轉(zhuǎn)變溫度的疊加法則，將連續(xù)冷卻離散成每一小時間段的階梯冷卻，借助虛擬時間的概念成功地解決了如何利用”盯曲線預(yù)測連續(xù) 冷卻 過程組織轉(zhuǎn)變量的問題 。法國的Denis 貝在馬氏體淬火過程中的熱力學(xué)分析和內(nèi)應(yīng)力計算過程中全面考慮了相變塑性和內(nèi)應(yīng)力對馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的影響，描述了它們對殘余應(yīng)24力的影響，并與實際測定的應(yīng)力狀態(tài)進行了對比。20世紀(jì)80年代中期，上海重機廠等單位開始采用有限差分法， 對大型軋輥淬火過程溫度場進行了計算。20世紀(jì)80年代末，清華大學(xué)等單位采用有限單元法對大型軋輥和電機轉(zhuǎn)子淬火過程的溫度場、顯微組織場及內(nèi)應(yīng)力場進行了模擬計算，并根據(jù)模擬計算結(jié)果對工藝提出了有益的改進意見。MiChael J．CIALKOWSI、Ndrzej FRACKOWIAK、N．M．AL—Najem 、A．M ．Osman、M ．M．ELRefaee、K．M．Khanafe 【6【等人通過 法研究了二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)逆問題Treftz的求解方法。2022年，李公法, 屈海端, 楊金堂, 尹強, 龍華, 張小亮等人利用有限元分析軟件對U71M n重軌軌頭淬火過程中的應(yīng)力場進行數(shù)值模擬 【8【, 并對影響其分布的各種因素進行研究。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。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。 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。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℃）；負號表示熱量nq流向溫度降低的方向。熱對流可以分 為兩類：自然對流和強制對流。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。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。 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。幾何條件是指參與 導(dǎo)熱過程的重軌的幾何尺度、形狀。 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。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。 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 （）)(0zyxt、?式（）中， 為已知溫度函數(shù)。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。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。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 （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。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。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。)/(?????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。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。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。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【。為了便于有限元計算，須做線性化處理。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 =。同 時，還顯示出各向同性強化。即：Mise （）s??式( )中， 為等效應(yīng)力， 為屈服極限。這時等效應(yīng)力 表達式為 ??}3)()()(21{ 2413232 ????（） 3)應(yīng)變強 化規(guī)律。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?；诘刃娀瘡娀?屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)上流Mise動法則，