基于多物理場(chǎng)的T10鋼熱力耦合分析

摘要： 氣體淬火是改善金屬及合金材料性能的方式之一。當(dāng)在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)鈱?duì)工件進(jìn)行淬火時(shí)，由于工件溫度急劇變化及溫度分布的不均勻，將引起工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。本文利用ANSYS軟件中的熱力耦合模塊，對(duì)T10鋼工件采用高速氮?dú)獯慊饡r(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，討論了淬火過程中溫度變化對(duì)T10鋼工件力學(xué)性能的影響。

Abstract： Gas quenching is one of the ways to improve the properties of metals and alloys. When the work piece is quenched by high-speed nitrogen at atmospheric pressure， the internal stress distribution of the work piece is uneven due to the sharp change of temperature and uneven distribution of temperature. This paper uses thermo mechanical coupling module in ANSYS software to analyze the mechanical properties of T10 steel work piece when it is quenched by high-speed nitrogen and discuss the influence of temperature change on the mechanical properties of T10 steel work piece during the quenching process.

關(guān)鍵詞： 高速氮?dú)獯慊?；溫度?chǎng)；熱應(yīng)力場(chǎng)；材料性能

Key words： high-speed nitrogen quenching；temperature field；thermal stress field；characteristic of materials

中圖分類號(hào)：TG156.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0137-02

0 引言

氣體淬火是改善金屬及合金材料性能的方式之一。當(dāng)在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)鈱?duì)工件進(jìn)行淬火時(shí)，由于工件溫度急劇變化及溫度分布的不均勻，將引起工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，這將對(duì)工件的強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，由于工件溫度的急劇變化也使工件的材料性能發(fā)生變化，因而對(duì)工件在常壓環(huán)境下的高速氮?dú)獯慊疬M(jìn)行熱力耦合分析[1-3]具有重要意義。本文利用ANSYS軟件中的熱力耦合模塊，對(duì)T10鋼工件在采用高速氮?dú)獯慊饡r(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，討論了淬火過程中溫度變化對(duì)T10鋼工件力學(xué)性能的影響。

1 熱力耦合場(chǎng)分析理論

在ANSYS中，計(jì)算由溫差引起的熱應(yīng)力場(chǎng)的方法有兩種，一種是直接耦合法，另外一種是間接耦合法。其中，間接耦合法是先對(duì)熱分析模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，然后將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為荷載施加在結(jié)構(gòu)分析模型上，進(jìn)行熱應(yīng)力分析。其難點(diǎn)在于熱分析模型的單元與節(jié)點(diǎn)編號(hào)必須與結(jié)構(gòu)分析模型的單元與節(jié)點(diǎn)編號(hào)一致。直接耦合法是采用同時(shí)具備分析溫度和應(yīng)力能力的耦合單元?jiǎng)澐帜Ｐ停蠼庵笾苯拥玫綔囟葓?chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果。由于在常壓環(huán)境下以高速氮?dú)鈱?duì)工件進(jìn)行淬火時(shí)，工件同時(shí)經(jīng)歷著溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力場(chǎng)的變化，二者之間存在相互耦合，因此本文采用直接耦合法對(duì)工件的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。

模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)模型做如下假設(shè)：①材料連續(xù)和各向同性；②材料表面換熱系數(shù)隨時(shí)間變化。對(duì)熱應(yīng)力場(chǎng)的假設(shè)為：①材料連續(xù)和各向同性；②忽略材料塑性變形的生熱；③不考慮初始應(yīng)力。

2 有限元模型

常壓高速氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)采用直徑為20mm、高60mm的圓柱形T10鋼工件?？紤]到模型的對(duì)稱性，有限元模擬時(shí)取工件的Z軸對(duì)稱面為研究對(duì)象，建立長(zhǎng)60mm、寬20mm的二維模型，采用平面8節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐帜Ｐ?，最終得到有限元模型如圖1所示。

對(duì)于T10鋼材料的定壓比熱容Cp，導(dǎo)熱系數(shù)λ和密度ρ，按照表1和表2取值。

T10鋼材料的相變潛熱W′和表面綜合換熱系數(shù)h可依照論文[5]的計(jì)算結(jié)果取值。

模擬計(jì)算工況，T10鋼工件初始溫度為840℃，常壓高速氮?dú)庹{(diào)壓閥出口壓力為0.6MPa，淬火時(shí)間為190s。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

圖2給出了工件在不同時(shí)刻的溫度分布。從圖2可以看出，隨著淬火時(shí)間的進(jìn)行，工件內(nèi)外溫差呈現(xiàn)先急劇增大后減小的趨勢(shì)。在淬火初始階段，在t=1.0s時(shí)，工件內(nèi)部的溫度約在829.861℃，外面溫度在778.68℃。隨著淬火時(shí)間的增加，工件內(nèi)外部的溫度均降低，在t=190s時(shí)，工件內(nèi)部的溫度約在77.381℃，外面溫度在64.593℃。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

圖3給出了工件在不同時(shí)刻的等效應(yīng)力分布。從圖3可以看出，在整個(gè)淬火過程中，工件內(nèi)部的等效應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布，且隨著時(shí)間的增加，工件的最大等效應(yīng)力值增加。采用高速氮?dú)獯慊饡r(shí)，工件溫度降低，會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在淬火后期，工件內(nèi)部的等效應(yīng)力值要小于外部的等效應(yīng)力值。對(duì)比圖3與圖4可以看出，在淬火后期，工件內(nèi)部溫度高于外部，但是內(nèi)部等效應(yīng)力值要小于外部的等效應(yīng)力值。

4 結(jié)論

基于ANSYS軟件，對(duì)采用高速氮?dú)獯慊饡r(shí)的T10鋼工件進(jìn)行了熱力耦合計(jì)算，分析了其瞬態(tài)溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：①隨著淬火時(shí)間的推移，工件的溫度降低，總體而言，工件內(nèi)部溫度高于外部溫度；②工件內(nèi)部的等效應(yīng)力要小于工件外部的等效應(yīng)力。淬火過程中，將在工件上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

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