專利名稱：一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定界面換熱系數(shù)的方法，特別是關(guān)于一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
淬火是普遍采用的一種熱處理工藝，是金屬材料強(qiáng)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(chǎn)企業(yè)和研究學(xué)者。這主要是因?yàn)橛绊懘慊鹱冃蔚脑蜉^多，除與材料的化學(xué)成分、尺寸大小及形狀等因素有關(guān)外，還與熱處理工藝參數(shù)密切相關(guān)。近來，數(shù)值模擬技術(shù)在研究金屬材料熱處理變形中發(fā)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(zhì)的傳熱行為，不僅影響了材料最終獲得的顯微組織和力學(xué)性能，而且很大程度上也影響了材料的變形規(guī)律。所以，精確測定鋼在冷卻過程的界面換熱系數(shù)成為衡量計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否的一個(gè)重要參數(shù)。工件由高溫狀態(tài)浸入冷卻介質(zhì)后，其傳熱行為除了與材質(zhì)本身特性有關(guān)外，還主要與介質(zhì)的屬性(如比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、粘度等)、初始溫度以及運(yùn)動狀態(tài)(靜止或流動) 密切相關(guān)。介質(zhì)的屬性主要影響工件的冷卻速度(如水冷的速度大于油冷的速度)，一般來說冷速越快，溫度采集模塊采集的有效數(shù)據(jù)就越少，求得的界面換熱系數(shù)精確度就越低， 常需進(jìn)行多次測試和校核；初始溫度的高低對界面換熱系數(shù)的影響也很大，初始溫度越低， 介質(zhì)的冷卻能力越強(qiáng)；這其中，介質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)對界面換熱系數(shù)的影響尤為重要，尤其在冷卻開始階段，工件表面產(chǎn)生大量的過熱蒸汽，緊貼工件形成連續(xù)的蒸汽膜，使工件與液體分開，此時(shí)工件主要靠輻射傳熱。而工件與介質(zhì)的相對運(yùn)動程度(靜止、輕微運(yùn)動、較大運(yùn)動、 強(qiáng)烈運(yùn)動等)對這個(gè)階段的換熱行為影響很大，相對運(yùn)動越劇烈，越能有效破壞蒸汽膜從而提高工件的冷卻速度。在冷卻后期，介質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)對換熱系數(shù)的影響雖不及蒸汽膜階段，但也十分明顯。實(shí)際生產(chǎn)中，恰對上述影響傳熱行為的因素難以控制，導(dǎo)致淬火引起的變形規(guī)律變得十分復(fù)雜。也就是說，工件在快速冷卻過程中，界面換熱系數(shù)難以準(zhǔn)確確定， 在實(shí)際的軟件算中，大都采用經(jīng)驗(yàn)值或預(yù)估值，致使計(jì)算結(jié)果誤差很大。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種操作簡便、可準(zhǔn)確測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的工件在快速冷卻過程中，界面換熱系數(shù)難以準(zhǔn)確確定的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下方案一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)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(diǎn)，并在這些選定的位置點(diǎn)上焊接熱電偶，再將各個(gè)熱電偶共同連接到一個(gè)溫度采集模塊中；2)工件經(jīng)由高溫狀態(tài)(高溫狀態(tài)一般是指加熱到鋼的奧氏體化狀態(tài)的溫度，約在 1000°C左右，視具體情況而定)進(jìn)行冷卻時(shí)，熱電偶將測試的工件表面點(diǎn)的溫度變化信息
3傳送到溫度采集模塊中；冷卻可以采用迅速浸入冷卻介質(zhì)(水或油等)中淬火；或者，采用冷速較慢的正火或退火。3)冷卻過程中，通過溫度采集模塊讀取表面測試點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)；4)根據(jù)工件表面測試點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)，利用熱處理軟件(本發(fā)明中采用了 SYSWELD軟件)的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，得到工件冷卻過程的界面換熱系數(shù)；5)將由4)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計(jì)算表面測試點(diǎn)的溫度變化(計(jì)算值采用DEF0RM-3D模擬軟件計(jì)算獲得)，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比， 若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果不符(溫度變化曲線偏差較大，即各個(gè)時(shí)刻溫度偏差值的平均值大于10°C，偏差值的標(biāo)準(zhǔn)差大于10°C時(shí))，則返回4)對界面換熱系數(shù)進(jìn)行校核，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的變形情況，若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢差異較大(變形量數(shù)值偏差過大，偏差值大于0. 5mm ；或者，變形趨勢相反)，則返回4)對界面換熱系數(shù)重新進(jìn)行校核，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢吻合良好。采取以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明將熱電偶直接焊在工件表面上，保證表面溫度的測試結(jié)果準(zhǔn)確。2、本發(fā)明利用溫度采集模塊，將工件表面測試點(diǎn)的溫度變化測量結(jié)果，通過熱處理軟件的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，可以很容易算出界面換熱系數(shù)。3、本發(fā)明采用模擬軟件對工件的冷卻過程進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)測溫度變化結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證溫度場計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。4、本發(fā)明采用模擬軟件對工件冷卻過程的變形情況進(jìn)行計(jì)算，并與工件實(shí)測的變形結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。5、本發(fā)明測試的是鋼的快速冷卻過程的界面換熱系數(shù)，測試方法不僅適用于鋼的淬火，同樣適合冷速較慢的正火和退火過程，為數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的參數(shù)。6、采用本發(fā)明測試的鋼的快速冷卻過程的界面換熱系數(shù)，工件變形情況的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)測相一致，而采用經(jīng)驗(yàn)值的界面換熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測變形結(jié)果相差很大。


圖1是本發(fā)明測試裝置連接的示意圖。圖2是本發(fā)明界面換熱系數(shù)測試的流程示意圖。圖3(a)_(b)是本發(fā)明實(shí)測界面換熱系數(shù)的缺口圓盤示意圖。其中，圖3(a)圖主視圖；圖3(b)圖為側(cè)視圖。圖4是模擬缺口圓盤水冷后計(jì)算值與實(shí)測值對比的溫度場變化曲線。圖5是采用本發(fā)明測試的界面換熱系數(shù)模擬缺口圓盤水冷的變形結(jié)果。圖6是采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的界面換熱系數(shù)模擬缺口圓盤水冷的變形結(jié)果。圖7是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的界面換熱系數(shù)和實(shí)測數(shù)據(jù)對比圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的闡述。本發(fā)明是要確定在快速冷卻過程中工件與冷卻介質(zhì)間的界面換熱系數(shù)，其測試裝置的連接如圖1所示。在工件表面焊上熱電偶，然后將熱電偶連接到溫度采集模塊，再將采集模塊通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄測溫點(diǎn)的溫度變化。待工件加熱到高溫狀態(tài)(高溫狀態(tài)一般是指加熱到鋼的奧氏體化狀態(tài)的溫度，約在1000°c左右，視具體情況而定)后，迅速浸入介質(zhì) (水或油等)中進(jìn)行冷卻，記錄下工件冷卻過程的溫度變化數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的溫度變化數(shù)據(jù)，利用熱處理軟件(本發(fā)明中采用了 SYSWELD軟件)的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，擬合得到一組界面換熱系數(shù)。用得到的界面換熱系數(shù)，模擬工件冷卻過程的溫度場，得出工件表面測溫點(diǎn)的溫度變化，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值偏差較大，則利用熱處理軟件的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，對界面換熱系數(shù)重新進(jìn)行校核，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合良好。將上述溫度場計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合良好的界面換熱系數(shù)，用來模擬工件在冷卻過程的變形情況，進(jìn)一步驗(yàn)證界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。這主要是因?yàn)橐环矫媸苣K本身數(shù)據(jù)采集能力的限制，工件冷卻的越快(尤其在高溫冷卻階段，工件在極短時(shí)間內(nèi)迅速降溫)，測得的有效數(shù)據(jù)越少，擬合的界面換熱系數(shù)準(zhǔn)確度較低，雖經(jīng)溫度場模擬并與實(shí)測溫度值進(jìn)行對比，但仍需進(jìn)一步加以驗(yàn)證；另一方面，工件在冷卻過程中，界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性對變形結(jié)果的影響十分敏感，因此有必要再次通過計(jì)算機(jī)模擬工件的變形情況，與實(shí)測結(jié)果對比后，驗(yàn)證界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢吻合較好， 則界面換熱系數(shù)測試結(jié)束，記錄下界面換熱系數(shù)的數(shù)值。若吻合的不好，則需重新經(jīng)過界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能進(jìn)行校核和修正，直到結(jié)果吻合良好為止。其界面換熱系數(shù)測試流程如圖2所示。實(shí)施例采用本發(fā)明測試了圖3奧氏體不銹鋼缺口圓盤1050°C水冷的界面換熱系數(shù)，并模擬了缺口圓盤水冷后的溫度場和變形情況。如圖3所示，缺口圓盤為外環(huán)和外環(huán)中的內(nèi)環(huán)之間形成的帶缺口圓盤，采用缺口圓盤進(jìn)行試驗(yàn)的主要原因基于以下兩點(diǎn)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，水冷后缺口附近容易發(fā)生變形；二是便于對變形結(jié)果進(jìn)行測量，本實(shí)施例采用游標(biāo)卡尺直接對缺口的尺寸進(jìn)行測量，再與缺口的原始尺寸進(jìn)行對比即可。模擬了缺口圓盤水冷后的溫度場變化，其中圓盤表面點(diǎn)P的溫度變化曲線計(jì)算值與實(shí)測值對比如圖3-4所示，計(jì)算值采用DEF0RM-3D模擬軟件計(jì)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，這主要是由于水冷速度較快，模塊采集到的有效數(shù)據(jù)較少造成的，為保證界面換熱系數(shù)的準(zhǔn)確性，有必要再進(jìn)行變形模擬加以驗(yàn)證。采用本發(fā)明測試的界面換熱系數(shù)模擬缺口圓盤水冷的變形結(jié)果如圖5所示，明顯可以看出沿 X方向，C型環(huán)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。采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的界面換熱系數(shù)模擬缺口圓盤水冷的變形結(jié)果則如圖6所示，不難發(fā)現(xiàn)，其變形規(guī)律與圖5恰好相反，即缺口尺寸因增大而擴(kuò)張，擴(kuò)大約252 μ m。若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢吻合較好，則界面換熱系數(shù)測試結(jié)束，記錄下界面換熱系數(shù)的數(shù)值。若吻合的不好，則需重新經(jīng)過界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能進(jìn)行校核和修正，直到結(jié)果吻合良好為止。缺口圓盤水冷試驗(yàn)證實(shí)，水冷后缺口將發(fā)生收縮現(xiàn)象，約收縮 315 μ m，變形趨勢與采用實(shí)測界面換熱系數(shù)模擬的結(jié)果相一致。因此，可以認(rèn)為采用本發(fā)明測試得到的界面換熱系數(shù)具有很好的實(shí)用性。其中，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的界面換熱系數(shù)和實(shí)測數(shù)據(jù)如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于，包含步驟如下1)在工件表面選取若干需要測試的位置點(diǎn)，并在這些選定的位置點(diǎn)上焊接熱電偶，再將各個(gè)熱電偶共同連接到一個(gè)溫度采集模塊中；2)工件經(jīng)由高溫狀態(tài)進(jìn)行冷卻時(shí)，熱電偶將測試的工件表面點(diǎn)的溫度變化信息傳送到溫度采集模塊中；3)冷卻過程中，通過溫度采集模塊讀取表面測試點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)；4)根據(jù)表面測試點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)，利用熱處理軟件的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，得到工件冷卻過程的界面換熱系數(shù)；5)將由4)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計(jì)算表面測試點(diǎn)的溫度變化，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果不符，則返回4)對界面換熱系數(shù)進(jìn)行校核，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的變形情況，并與實(shí)測變形結(jié)果進(jìn)行對比，若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢差異較大，則返回4)對界面換熱系數(shù)重新進(jìn)行校核，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢吻合良好。
2.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟1)中的工件表面焊上一個(gè)或一個(gè)以上熱電偶。
3.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟2)中工件表面的溫度信息由溫度采集模塊采集。
4.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟2)中高溫狀態(tài)是指加熱到鋼的奧氏體化狀態(tài)的溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟2)中冷卻采用迅速浸入冷卻介質(zhì)中淬火；或者，采用冷速較慢的正火或退火。
6.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟5)中，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果不符，即溫度變化曲線偏差較大，各個(gè)時(shí)刻溫度偏差值的平均值大于10°C，偏差值的標(biāo)準(zhǔn)差大于10°C。
7.如權(quán)利要求1所述的測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，其特征在于步驟6)中，變形趨勢差異較大，即變形量數(shù)值偏差過大，偏差值大于0. 5mm ；或者，變形趨勢相反。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測定鋼的快速冷卻過程界面換熱系數(shù)的方法，步驟如下1)在工件表面位置點(diǎn)焊接熱電偶，熱電偶連到溫度采集模塊；2)工件冷卻時(shí)，熱電偶將測試的溫度變化信息傳送到溫度采集模塊；3)通過溫度采集模塊讀取表面點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)；4)根據(jù)表面測試點(diǎn)的溫度變化數(shù)據(jù)，利用熱處理軟件的界面換熱系數(shù)校驗(yàn)功能，得到冷卻過程的界面換熱系數(shù)；5)將得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的溫度場變化，計(jì)算表面測試點(diǎn)的溫度變化并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好；6)將由5)得到的界面換熱系數(shù)用于模擬工件冷卻過程的變形情況，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的變形趨勢吻合良好，解決界面換熱系數(shù)不準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者李依依, 李殿中, 程柏松, 肖納敏 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所