一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法

2023-05-09 14:25:31

專利名稱：一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法
技術領域：
本發明涉及確定界面換熱係數的方法，特別是關於一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法。
背景技術：
淬火是普遍採用的一種熱處理工藝，是金屬材料強化的一種有效途徑。但由淬火引起的材料變形問題，卻長期困擾著生產企業和研究學者。這主要是因為影響淬火變形的原因較多，除與材料的化學成分、尺寸大小及形狀等因素有關外，還與熱處理工藝參數密切相關。近來，數值模擬技術在研究金屬材料熱處理變形中發揮著越來越重要的作用。這其中，淬火過程中工件與冷卻介質的傳熱行為，不僅影響了材料最終獲得的顯微組織和力學性能，而且很大程度上也影響了材料的變形規律。所以，精確測定鋼在冷卻過程的界面換熱係數成為衡量計算機模擬結果準確與否的一個重要參數。工件由高溫狀態浸入冷卻介質後，其傳熱行為除了與材質本身特性有關外，還主要與介質的屬性(如比熱、熱傳導係數、粘度等)、初始溫度以及運動狀態(靜止或流動) 密切相關。介質的屬性主要影響工件的冷卻速度(如水冷的速度大於油冷的速度)，一般來說冷速越快，溫度採集模塊採集的有效數據就越少，求得的界面換熱係數精確度就越低， 常需進行多次測試和校核；初始溫度的高低對界面換熱係數的影響也很大，初始溫度越低， 介質的冷卻能力越強；這其中，介質的運動狀態對界面換熱係數的影響尤為重要，尤其在冷卻開始階段，工件表面產生大量的過熱蒸汽，緊貼工件形成連續的蒸汽膜，使工件與液體分開，此時工件主要靠輻射傳熱。而工件與介質的相對運動程度(靜止、輕微運動、較大運動、 強烈運動等)對這個階段的換熱行為影響很大，相對運動越劇烈，越能有效破壞蒸汽膜從而提高工件的冷卻速度。在冷卻後期，介質的運動狀態對換熱係數的影響雖不及蒸汽膜階段，但也十分明顯。實際生產中，恰對上述影響傳熱行為的因素難以控制，導致淬火引起的變形規律變得十分複雜。也就是說，工件在快速冷卻過程中，界面換熱係數難以準確確定， 在實際的軟體算中，大都採用經驗值或預估值，致使計算結果誤差很大。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種操作簡便、可準確測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，解決現有技術中存在的工件在快速冷卻過程中，界面換熱係數難以準確確定的問題。為實現上述目的，本發明採取如下方案一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，包括以下步驟1)在工件表面選取若干需要測試的位置點，並在這些選定的位置點上焊接熱電偶，再將各個熱電偶共同連接到一個溫度採集模塊中；2)工件經由高溫狀態(高溫狀態一般是指加熱到鋼的奧氏體化狀態的溫度，約在 1000°C左右，視具體情況而定)進行冷卻時，熱電偶將測試的工件表面點的溫度變化信息
3傳送到溫度採集模塊中；冷卻可以採用迅速浸入冷卻介質(水或油等)中淬火；或者，採用冷速較慢的正火或退火。3)冷卻過程中，通過溫度採集模塊讀取表面測試點的溫度變化數據；4)根據工件表面測試點的溫度變化數據，利用熱處理軟體(本發明中採用了 SYSWELD軟體)的界面換熱係數校驗功能，得到工件冷卻過程的界面換熱係數；5)將由4)得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計算表面測試點的溫度變化(計算值採用DEF0RM-3D模擬軟體計算獲得)，並與實測結果進行對比， 若計算結果與實測結果不符(溫度變化曲線偏差較大，即各個時刻溫度偏差值的平均值大於10°C，偏差值的標準差大於10°C時)，則返回4)對界面換熱係數進行校核，直到計算結果與實測結果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的變形情況，若計算結果與實測結果的變形趨勢差異較大(變形量數值偏差過大，偏差值大於0. 5mm ；或者，變形趨勢相反)，則返回4)對界面換熱係數重新進行校核，直到計算結果與實測結果的變形趨勢吻合良好。採取以上技術方案，本發明具有以下優點1、本發明將熱電偶直接焊在工件表面上，保證表面溫度的測試結果準確。2、本發明利用溫度採集模塊，將工件表面測試點的溫度變化測量結果，通過熱處理軟體的界面換熱係數校驗功能，可以很容易算出界面換熱係數。3、本發明採用模擬軟體對工件的冷卻過程進行計算，與實測溫度變化結果進行比較，驗證溫度場計算結果的準確性。4、本發明採用模擬軟體對工件冷卻過程的變形情況進行計算，並與工件實測的變形結果進行對比，驗證界面換熱係數的準確性。5、本發明測試的是鋼的快速冷卻過程的界面換熱係數，測試方法不僅適用於鋼的淬火，同樣適合冷速較慢的正火和退火過程，為數值模擬提供準確的參數。6、採用本發明測試的鋼的快速冷卻過程的界面換熱係數，工件變形情況的計算機模擬結果與實測相一致，而採用經驗值的界面換熱係數，計算結果與實測變形結果相差很大。


圖1是本發明測試裝置連接的示意圖。圖2是本發明界面換熱係數測試的流程示意圖。圖3(a)_(b)是本發明實測界面換熱係數的缺口圓盤示意圖。其中，圖3(a)圖主視圖；圖3(b)圖為側視圖。圖4是模擬缺口圓盤水冷後計算值與實測值對比的溫度場變化曲線。圖5是採用本發明測試的界面換熱係數模擬缺口圓盤水冷的變形結果。圖6是採用經驗數據的界面換熱係數模擬缺口圓盤水冷的變形結果。圖7是經驗數據的界面換熱係數和實測數據對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的闡述。本發明是要確定在快速冷卻過程中工件與冷卻介質間的界面換熱係數，其測試裝置的連接如圖1所示。在工件表面焊上熱電偶，然後將熱電偶連接到溫度採集模塊，再將採集模塊通過計算機實時記錄測溫點的溫度變化。待工件加熱到高溫狀態(高溫狀態一般是指加熱到鋼的奧氏體化狀態的溫度，約在1000°c左右，視具體情況而定)後，迅速浸入介質 (水或油等)中進行冷卻，記錄下工件冷卻過程的溫度變化數據。根據測得的溫度變化數據，利用熱處理軟體(本發明中採用了 SYSWELD軟體)的界面換熱係數校驗功能，擬合得到一組界面換熱係數。用得到的界面換熱係數，模擬工件冷卻過程的溫度場，得出工件表面測溫點的溫度變化，並與實測結果進行對比，若計算結果與實測值偏差較大，則利用熱處理軟體的界面換熱係數校驗功能，對界面換熱係數重新進行校核，直到計算結果與實測值吻合良好。將上述溫度場計算結果與實測值吻合良好的界面換熱係數，用來模擬工件在冷卻過程的變形情況，進一步驗證界面換熱係數的準確性。這主要是因為一方面受模塊本身數據採集能力的限制，工件冷卻的越快(尤其在高溫冷卻階段，工件在極短時間內迅速降溫)，測得的有效數據越少，擬合的界面換熱係數準確度較低，雖經溫度場模擬並與實測溫度值進行對比，但仍需進一步加以驗證；另一方面，工件在冷卻過程中，界面換熱係數的準確性對變形結果的影響十分敏感，因此有必要再次通過計算機模擬工件的變形情況，與實測結果對比後，驗證界面換熱係數的準確性。若計算結果與實測結果的變形趨勢吻合較好， 則界面換熱係數測試結束，記錄下界面換熱係數的數值。若吻合的不好，則需重新經過界面換熱係數校驗功能進行校核和修正，直到結果吻合良好為止。其界面換熱係數測試流程如圖2所示。實施例採用本發明測試了圖3奧氏體不鏽鋼缺口圓盤1050°C水冷的界面換熱係數，並模擬了缺口圓盤水冷後的溫度場和變形情況。如圖3所示，缺口圓盤為外環和外環中的內環之間形成的帶缺口圓盤，採用缺口圓盤進行試驗的主要原因基於以下兩點一是圓盤本身的形狀特性，可以看出，圓盤的尺寸由缺口向兩邊不斷增加，過度明顯，水冷後缺口附近容易發生變形；二是便於對變形結果進行測量，本實施例採用遊標卡尺直接對缺口的尺寸進行測量，再與缺口的原始尺寸進行對比即可。模擬了缺口圓盤水冷後的溫度場變化，其中圓盤表面點P的溫度變化曲線計算值與實測值對比如圖3-4所示，計算值採用DEF0RM-3D模擬軟體計算。可以看出，兩條曲線的整體變化趨勢吻合較好，僅在局部略有差異，這主要是由於水冷速度較快，模塊採集到的有效數據較少造成的，為保證界面換熱係數的準確性，有必要再進行變形模擬加以驗證。採用本發明測試的界面換熱係數模擬缺口圓盤水冷的變形結果如圖5所示，明顯可以看出沿 X方向，C型環左邊缺口向右偏移，右邊缺口向左偏移，即缺口尺寸將因減小而收縮，收縮約 227 μ m。採用經驗數據的界面換熱係數模擬缺口圓盤水冷的變形結果則如圖6所示，不難發現，其變形規律與圖5恰好相反，即缺口尺寸因增大而擴張，擴大約252 μ m。若計算結果與實測結果的變形趨勢吻合較好，則界面換熱係數測試結束，記錄下界面換熱係數的數值。若吻合的不好，則需重新經過界面換熱係數校驗功能進行校核和修正，直到結果吻合良好為止。缺口圓盤水冷試驗證實，水冷後缺口將發生收縮現象，約收縮 315 μ m，變形趨勢與採用實測界面換熱係數模擬的結果相一致。因此，可以認為採用本發明測試得到的界面換熱係數具有很好的實用性。其中，經驗數據的界面換熱係數和實測數據如圖7所示。
權利要求
1.一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於，包含步驟如下1)在工件表面選取若干需要測試的位置點，並在這些選定的位置點上焊接熱電偶，再將各個熱電偶共同連接到一個溫度採集模塊中；2)工件經由高溫狀態進行冷卻時，熱電偶將測試的工件表面點的溫度變化信息傳送到溫度採集模塊中；3)冷卻過程中，通過溫度採集模塊讀取表面測試點的溫度變化數據；4)根據表面測試點的溫度變化數據，利用熱處理軟體的界面換熱係數校驗功能，得到工件冷卻過程的界面換熱係數；5)將由4)得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計算表面測試點的溫度變化，並與實測結果進行對比，若計算結果與實測結果不符，則返回4)對界面換熱係數進行校核，直到計算結果與實測結果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的變形情況，並與實測變形結果進行對比，若計算結果與實測結果的變形趨勢差異較大，則返回4)對界面換熱係數重新進行校核，直到計算結果與實測結果的變形趨勢吻合良好。
2.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟1)中的工件表面焊上一個或一個以上熱電偶。
3.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟2)中工件表面的溫度信息由溫度採集模塊採集。
4.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟2)中高溫狀態是指加熱到鋼的奧氏體化狀態的溫度。
5.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟2)中冷卻採用迅速浸入冷卻介質中淬火；或者，採用冷速較慢的正火或退火。
6.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟5)中，計算結果與實測結果不符，即溫度變化曲線偏差較大，各個時刻溫度偏差值的平均值大於10°C，偏差值的標準差大於10°C。
7.如權利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，其特徵在於步驟6)中，變形趨勢差異較大，即變形量數值偏差過大，偏差值大於0. 5mm ；或者，變形趨勢相反。
全文摘要
本發明涉及一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱係數的方法，步驟如下1)在工件表面位置點焊接熱電偶，熱電偶連到溫度採集模塊；2)工件冷卻時，熱電偶將測試的溫度變化信息傳送到溫度採集模塊；3)通過溫度採集模塊讀取表面點的溫度變化數據；4)根據表面測試點的溫度變化數據，利用熱處理軟體的界面換熱係數校驗功能，得到冷卻過程的界面換熱係數；5)將得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計算表面測試點的溫度變化並與實測結果進行對比，直到計算結果與實測結果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱係數用於模擬工件冷卻過程的變形情況，直到計算結果與實測結果的變形趨勢吻合良好，解決界面換熱係數不準確的問題。
文檔編號G01N25/20GK102507636SQ201110296298
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者李依依, 李殿中, 程柏松, 肖納敏 申請人:中國科學院金屬研究所