专利名称：一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法
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�：耍怀跏嘉露鹊母叩投越缑婊蝗认凳挠跋煲埠艽螅跏嘉露仍降停� 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�？橹校�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°C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
3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�？槎寥”砻娌馐缘愕奈露缺浠荩�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DEF0RM-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°C，偏差值的标准差大于10°C时)，则返回4)对界面换热系数进行�：耍钡郊扑憬峁胧挡饨峁呛狭己茫�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�：耍钡郊扑憬峁胧挡饨峁谋湫吻魇莆呛狭己�。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。5、本发明测试的是钢的快速冷却过程的界面换热系数，测试方法不仅适用于钢的淬火，同样适合冷速较慢的正火和退火过程，为数值模拟提供准确的参数。6、采用本发明测试的钢的快速冷却过程的界面换热系数，工件变形情况的计算机模拟结果与实测相一致，而采用经验值的界面换热系数，计算结果与实测变形结果相差很大。
图1是本发明测试装置连接的示意图。图2是本发明界面换热系数测试的流程示意图。图3(a)_(b)是本发明实测界面换热系数的缺口圆盘示意图。其中，图3(a)图主视图；图3(b)图为侧视图。图4是模拟缺口圆盘水冷后计算值与实测值对比的温度场变化曲线。图5是采用本发明测试的界面换热系数模拟缺口圆盘水冷的变形结果。图6是采用经验数据的界面换热系数模拟缺口圆盘水冷的变形结果。图7是经验数据的界面换热系数和实测数据对比图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的阐述。本发明是要确定在快速冷却过程中工件与冷却介质间的界面换热系数，其测试装置的连接如图1所示。在工件表面焊上热电偶，然后将热电偶连接到温度采集�？椋俳杉？橥ü扑慊凳奔锹疾馕碌愕奈露缺浠�。待工件加热到高温状态(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°c左右，视具体情况而定)后，迅速浸入介质 (水或油等)中进行冷却，记录下工件冷却过程的温度变化数据。根据测得的温度变化数据，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，拟合得到一组界面换热系数。用得到的界面换热系数，模拟工件冷却过程的温度�。贸龉ぜ砻娌馕碌愕奈露缺浠⒂胧挡饨峁卸员龋艏扑憬峁胧挡庵灯罱洗螅蚶萌却砣砑慕缑婊蝗认凳Ｑ楣δ埽越缑婊蝗认凳匦陆行：耍钡郊扑憬峁胧挡庵滴呛狭己谩＝鲜鑫露瘸〖扑憬峁胧挡庵滴呛狭己玫慕缑婊蝗认凳美茨Ｄ夤ぜ诶淙垂痰谋湫吻榭觯徊窖橹そ缑婊蝗认凳淖既沸�。这主要是因为一方面受模块本身数据采集能力的限制，工件冷却的越快(尤其在高温冷却阶段，工件在极短时间内迅速降温)，测得的有效数据越少，拟合的界面换热系数准确度较低，虽经温度场模拟并与实测温度值进行对比，但仍需进一步加以验证；另一方面，工件在冷却过程中，界面换热系数的准确性对变形结果的影响十分敏感，因此有必要再次通过计算机模拟工件的变形情况，与实测结果对比后，验证界面换热系数的准确性。若计算结果与实测结果的变形趋势吻合较好， 则界面换热系数测试结束，记录下界面换热系数的数值。若吻合的不好，则需重新经过界面换热系数校验功能进行�：撕托拚钡浇峁呛狭己梦埂Ｆ浣缑婊蝗认凳馐粤鞒倘缤�2所示。实施例采用本发明测试了图3奥氏体不锈钢缺口圆盘1050°C水冷的界面换热系数，并模拟了缺口圆盘水冷后的温度场和变形情况。如图3所示，缺口圆盘为外环和外环中的内环之间形成的带缺口圆盘，采用缺口圆盘进行试验的主要原因基于以下两点一是圆盘本身的形状特性，可以看出，圆盘的尺寸由缺口向两边不断增加，过度明显，水冷后缺口附近容易发生变形；二是便于对变形结果进行测量，本实施例采用游标卡尺直接对缺口的尺寸进行测量，再与缺口的原始尺寸进行对比即可。模拟了缺口圆盘水冷后的温度场变化，其中圆盘表面点P的温度变化曲线计算值与实测值对比如图3-4所示，计算值采用DEF0RM-3D模拟软件计算。可以看出，两条曲线的整体变化趋势吻合较好，仅在局部略有差异，这主要是由于水冷速度较快，�？椴杉降挠行萁仙僭斐傻模Ｖそ缑婊蝗认凳淖既沸裕斜匾俳斜湫文Ｄ饧右匝橹�。采用本发明测试的界面换热系数模拟缺口圆盘水冷的变形结果如图5所示，明显可以看出沿 X方向，C型环左边缺口向右偏移，右边缺口向左偏移，即缺口尺寸将因减小而收缩，收缩约 227 μ m。采用经验数据的界面换热系数模拟缺口圆盘水冷的变形结果则如图6所示，不难发现，其变形规律与图5恰好相反，即缺口尺寸因增大而扩张，扩大约252 μ m。若计算结果与实测结果的变形趋势吻合较好，则界面换热系数测试结束，记录下界面换热系数的数值。若吻合的不好，则需重新经过界面换热系数校验功能进行�：撕托拚钡浇峁呛狭己梦�。缺口圆盘水冷试验证实，水冷后缺口将发生收缩现象，约收缩 315 μ m，变形趋势与采用实测界面换热系数模拟的结果相一致。因此，可以认为采用本发明测试得到的界面换热系数具有很好的实用性。其中，经验数据的界面换热系数和实测数据如图7所示。
权利要求
1.一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于，包含步骤如下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�？橹校�2)工件经由高温状态进行冷却时，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�？橹校�3)冷却过程中，通过温度采集�？槎寥”砻娌馐缘愕奈露缺浠荩�4)根据表面测试点的温度变化数据，利用热处理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，并与实测结果进行对比，若计算结果与实测结果不符，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，并与实测变形结果进行对比，若计算结果与实测结果的变形趋势差异较大，则返回4)对界面换热系数重新进行�：耍钡郊扑憬峁胧挡饨峁谋湫吻魇莆呛狭己�。
2.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤1)中的工件表面焊上一个或一个以上热电偶。
3.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤2)中工件表面的温度信息由温度采集�？椴杉�
4.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤2)中高温状态是指加热到钢的奥氏体化状态的温度。
5.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤2)中冷却采用迅速浸入冷却介质中淬火；或者，采用冷速较慢的正火或退火。
6.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤5)中，计算结果与实测结果不符，即温度变化曲线偏差较大，各个时刻温度偏差值的平均值大于10°C，偏差值的标准差大于10°C。
7.如权利要求1所述的测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，其特征在于步骤6)中，变形趋势差异较大，即变形量数值偏差过大，偏差值大于0. 5mm ；或者，变形趋势相反。
全文摘要
本发明涉及一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，步骤如下1)在工件表面位置点焊接热电偶，热电偶连到温度采集�？椋�2)工件冷却时，热电偶将测试的温度变化信息传送到温度采集�？椋�3)通过温度采集�？槎寥”砻娴愕奈露缺浠荩�4)根据表面测试点的温度变化数据，利用热处理软件的界面换热系数校验功能，得到冷却过程的界面换热系数；5)将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并与实测结果进行对比，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，直到计算结果与实测结果的变形趋势吻合良好，解决界面换热系数不准确的问题。
文档编号G01N25/20GK102507636SQ201110296298
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者李依依, 李殿中, 程柏松, 肖纳敏 申请人:中国科学院金属研究所
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