基于多物理场的T10钢热力耦合分析

摘要： 气体淬火是改善金属及合金材料性能的方式之一。当在常压环境下以高速氮气对工件进行淬火时，由于工件温度急剧变化及温度分布的不均匀，将引起工件内部应力分布不均匀。本文利用ANSYS软件中的热力耦合模块，对T10钢工件采用高速氮气淬火时的力学性能进行了分析，讨论了淬火过程中温度变化对T10钢工件力学性能的影响。

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.

关键词： 高速氮气淬火；温度场；热应力场；材料性能

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

中图分类号：TG156.31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0137-02

0 引言

气体淬火是改善金属及合金材料性能的方式之一。当在常压环境下以高速氮气对工件进行淬火时，由于工件温度急剧变化及温度分布的不均匀，将引起工件内部应力分布不均匀，这将对工件的强度产生较大影响。同时，由于工件温度的急剧变化也使工件的材料性能发生变化，因而对工件在常压环境下的高速氮气淬火进行热力耦合分析[1-3]具有重要意义。本文利用ANSYS软件中的热力耦合模块，对T10钢工件在采用高速氮气淬火时的力学性能进行了分析，讨论了淬火过程中温度变化对T10钢工件力学性能的影响。

1 热力耦合场分析理论

在ANSYS中，计算由温差引起的热应力场的方法有两种，一种是直接耦合法，另外一种是间接耦合法。其中，间接耦合法是先对热分析模型进行温度场分析，然后将温度场计算结果作为荷载施加在结构分析模型上，进行热应力分析。其难点在于热分析模型的单元与节点编号必须与结构分析模型的单元与节点编号一致。直接耦合法是采用同时具备分析温度和应力能力的耦合单元划分模型，求解之后直接得到温度场和热应力场的结果。由于在常压环境下以高速氮气对工件进行淬火时，工件同时经历着温度场与热应力场的变化，二者之间存在相互耦合，因此本文采用直接耦合法对工件的温度场和热应力场进行模拟计算。

模拟计算时，对温度场模型做如下假设：①材料连续和各向同性；②材料表面换热系数随时间变化。对热应力场的假设为：①材料连续和各向同性；②忽略材料塑性变形的生热；③不考虑初始应力。

2 有限元模型

常压高速氮气实验采用直径为20mm、高60mm的圆柱形T10钢工件。考虑到模型的对称性，有限元模拟时取工件的Z轴对称面为研究对象，建立长60mm、宽20mm的二维模型，采用平面8节点单元划分模型，最终得到有限元模型如图1所示。

对于T10钢材料的定压比热容Cp，导热系数λ和密度ρ，按照表1和表2取值。

T10钢材料的相变潜热W′和表面综合换热系数h可依照论文[5]的计算结果取值。

模拟计算工况，T10钢工件初始温度为840℃，常压高速氮气调压阀出口压力为0.6MPa，淬火时间为190s。

3 计算结果与分析

3.1 瞬态温度场计算结果与分析

图2给出了工件在不同时刻的温度分布。从图2可以看出，随着淬火时间的进行，工件内外温差呈现先急剧增大后减小的趋势。在淬火初始阶段，在t=1.0s时，工件内部的温度约在829.861℃，外面温度在778.68℃。随着淬火时间的增加，工件内外部的温度均降低，在t=190s时，工件内部的温度约在77.381℃，外面温度在64.593℃。

3.2 应力场计算结果与分析

图3给出了工件在不同时刻的等效应力分布。从图3可以看出，在整个淬火过程中，工件内部的等效应力呈现不均匀分布，且随着时间的增加，工件的最大等效应力值增加。采用高速氮气淬火时，工件温度降低，会导致工件产生较大的应力。在淬火后期，工件内部的等效应力值要小于外部的等效应力值。对比图3与图4可以看出，在淬火后期，工件内部温度高于外部，但是内部等效应力值要小于外部的等效应力值。

4 结论

基于ANSYS软件，对采用高速氮气淬火时的T10钢工件进行了热力耦合计算，分析了其瞬态温度场与热应力分布规律。研究结果表明：①随着淬火时间的推移，工件的温度降低，总体而言，工件内部温度高于外部温度；②工件内部的等效应力要小于工件外部的等效应力。淬火过程中，将在工件上产生较大的热应力。

参考文献：

[1]王佐任，刘永启，郑斌，等.炉底散热回收型换热器的热力耦合有限元模拟[J].农业装备与车辆工程，2016，54（6）：10-11.

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[3]彭宁琦，唐广波，刘正东.热轧钢板超快冷过程的热力耦合数值分析[J].轧钢，2012，29（3）：7-10.

[4]严宗达，王洪礼.热应力[M].第一版.北京：高等教育出版社，1993.

[5]侯立军.T10钢高压气体淬火过程中的数值模拟和应用研究[D].昆明理工大学，2005.