电磁感应淬火过程的非Fourier效应研究

Owing to the fact that electromagnetism, temperature, stress/strain and metallic structures are strongly coupled in the process with obvious transient and nonlinear characteristics, it is very difficult to simulate induction quenching process accurately.Although a number of studies have been conducted in this area, non-Fourier effects of rapid heating or rapid cooling，the rate of thermal strains and deformation inertia have not been considered. The proposer intends to study the non-Fourier effects introduced by the electro-magnetic induction, cooling media and phase transformations, and then to develop a more accurate multi-field coupling mathematical model of induction quenching,which includes non-Fourier effects, the rate of thermal strains and deformation inertia. Based on the new model, the residual deformation, stresses and metallic phases in/after induction quencing processes will be intensively analyzed to improve the theory of surface heat treatment processes with analytical and numerical methods.

电磁感应淬火过程涉及电磁场-温度场-应力场-组织场的耦合作用，具有明显的瞬态效应和非线性特点，精确的过程模拟十分困难。目前的研究尚没有考虑感应淬火工艺过程中瞬变条件产生的非Fourier效应对工件温度场的影响，也没有考虑由此产生的温度应变率和变形惯性的影响，这在一定程度上影响了感应淬火工艺设计分析的精度。申请者拟重点研究电磁感应产生的结构瞬变内热源、冷却介质产生的瞬态散热以及瞬态相变潜热等因素导致的非Fourier效应的影响机制，考虑感应淬火过程中温度传导的非Fourier效应、温度应变率和变形惯性力的影响，建立电磁场-温度场-应力场-组织场耦合的强瞬态动力学模型，分析电磁感应淬火对结构变形、应力以及组织分布的影响，以期进一步完善表面热处理工艺理论，为实现结构电磁感应淬火工艺的高精度预测设计提供理论支撑。

电磁感应淬火是曲轴广泛采用的表面强化技术之一。电磁感应淬火过程涉及电磁场、温度场、应力/应变场和组织场的复杂耦合关系，其设计分析需要综合运用多学科理论与知识，难度很大。针对电磁感应加热和冷却过程所涉及的电磁、传热和组织场等问题进行了深入研究。.首先，从Maxwell基本方程组出发，通过理论分析获得了半无限大体电磁感应加热过程电磁场和生热率的解析解，获得了空气间隙、电源频率、电流大小等参数对生热率的影响规律。在研究电磁感应生热率的基础上，开展电磁感应瞬态温度场非Fourier效应研究。由于目前非Fourier温度场求解还不成熟，本研究采用广泛应用的CV数学模型探究了感应瞬态加热过程中温度场振荡的变化规律。通过研究了不同内热源和加热脉冲宽度对温度场的影响规律，获得了当脉冲时间达到驰豫时间的10倍时，其非Fourier效应可以忽略。同时利用热膨胀试验数据提出了42CrMo奥氏体化过程的扩展解析动力学模型。 .在感应淬火冷却过程中，利用梅尼尔模型研究淬火冷却后曲轴的淬硬层和硬度分布规律，并讨论了材料成分、换热系数和加热时间对淬火后硬度分布的影响。通过建立二维轴对称热弹塑性模型研究淬火过程残余应力分布规律，并利用曲轴淬火后表层非线性材料特性，研究材料特性对工作状态应力分布的影响。.在本项目研究过程中，认识到温度分布和温升值在研究过程中的重要性，拓展了项目组研究思路。针对柴油机工作过程中受温度影响较大的零部件开展了研究，主要包括高压油泵热-流-固耦合问题和连杆小头衬套松脱难题。对于高压油泵建立了预测柱塞副泄漏非等温流固耦合数学模型和燃油物理特性随温度和压力变化的统一化模型。对于对连杆小头衬套生热进行了理论研究，提出了连杆小头衬套松脱机理。