[发明专利]一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及确定界面换热系数的方法，特别是关于一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法。

背景技术

淬火是普遍采用的一种热处理工艺，是金属材料强化的一种有效途径。但由淬火引起的材料变形问题，却长期困扰着生产企业和研究学者。这主要是因为影响淬火变形的原因较多，除与材料的化学成分、尺寸大小及形状等因素有关外，还与热处理工艺参数密切相关。近来，数值模拟技术在研究金属材料热处理变形中发挥着越来越重要的作用。这其中，淬火过程中工件与冷却介质的传热行为，不仅影响了材料最终获得的显微组织和力学性能，而且很大程度上也影响了材料的变形规律。所以，精确测定钢在冷却过程的界面换热系数成为衡量计算机模拟结果准确与否的一个重要参数。

工件由高温状态浸入冷却介质后，其传热行为除了与材质本身特性有关外，还主要与介质的属性(如比热、热传导系数、粘度等)、初始温度以及运动状态(静止或流动)密切相关。介质的属性主要影响工件的冷却速度(如水冷的速度大于油冷的速度)，一般来说冷速越快，温度采集模块采集的有效数据就越少，求得的界面换热系数精确度就越低，常需进行多次测试和校核；初始温度的高低对界面换热系数的影响也很大，初始温度越低，介质的冷却能力越强；这其中，介质的运动状态对界面换热系数的影响尤为重要，尤其在冷却开始阶段，工件表面产生大量的过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜，使工件与液体分开，此时工件主要靠辐射传热。而工件与介质的相对运动程度(静止、轻微运动、较大运动、强烈运动等)对这个阶段的换热行为影响很大，相对运动越剧烈，越能有效破坏蒸汽膜从而提高工件的冷却速度。在冷却后期，介质的运动状态对换热系数的影响虽不及蒸汽膜阶段，但也十分明显。实际生产中，恰对上述影响传热行为的因素难以控制，导致淬火引起的变形规律变得十分复杂。也就是说，工件在快速冷却过程中，界面换热系数难以准确确定，在实际的软件计算中，大都采用经验值或预估值，致使计算结果误差很大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简便、可准确测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，解决现有技术中存在的工件在快速冷却过程中，界面换热系数难以准确确定的问题。

为实现上述目的，本发明采取如下方案：

一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，包括以下步骤：

1)在工件表面选取若干需要测试的位置点，并在这些选定的位置点上焊接热电偶，再将各个热电偶共同连接到一个温度采集模块中；

2)工件经由高温状态(高温状态一般是指加热到钢的奥氏体化状态的温度，约在1000℃左右，视具体情况而定)进行冷却时，热电偶将测试的工件表面点的温度变化信息传送到温度采集模块中；

冷却可以采用迅速浸入冷却介质(水或油等)中淬火；或者，采用冷速较慢的正火或退火。

3)冷却过程中，通过温度采集模块读取表面测试点的温度变化数据；

4)根据工件表面测试点的温度变化数据，利用热处理软件(本发明中采用了SYSWELD软件)的界面换热系数校验功能，得到工件冷却过程的界面换热系数；

5)将由4)得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的温度场变化，计算表面测试点的温度变化(计算值采用DEFORM-3D模拟软件计算获得)，并与实测结果进行对比，若计算结果与实测结果不符(温度变化曲线偏差较大，即各个时刻温度偏差值的平均值大于10℃，偏差值的标准差大于10℃时)，则返回4)对界面换热系数进行校核，直到计算结果与实测结果吻合良好；

6)将由5)得到的界面换热系数用于模拟工件冷却过程的变形情况，若计算结果与实测结果的变形趋势差异较大(变形量数值偏差过大，偏差值大于0.5mm；或者，变形趋势相反)，则返回4)对界面换热系数重新进行校核，直到计算结果与实测结果的变形趋势吻合良好。

采取以上技术方案，本发明具有以下优点：

1、本发明将热电偶直接焊在工件表面上，保证表面温度的测试结果准确。

2、本发明利用温度采集模块，将工件表面测试点的温度变化测量结果，通过热处理软件的界面换热系数校验功能，可以很容易算出界面换热系数。

3、本发明采用模拟软件对工件的冷却过程进行计算，与实测温度变化结果进行比较，验证温度场计算结果的准确性。

4、本发明采用模拟软件对工件冷却过程的变形情况进行计算，并与工件实测的变形结果进行对比，验证界面换热系数的准确性。