AP1000核电主管道淬火过程温度和应力场数值模拟

根据有限元模拟软件ANSYS原理,对AP1000核电主管道锻件进行淬火过程数值模拟,以获得主管道淬火不同时刻温度场分布及应力场的情况。结果表明,当淬火结束时（t=600 s）,锻件表面已冷却至室温,而管接口心部仍然保持较高温度;淬火开始阶段,锻件中最大的热应力点,会相应急速上升至最大值;随着淬火结束,锻件中热应力会逐渐变小;淬火阶段,主管道大部分区域的畸变都很小,最大的畸变区域主要集中在管接口与主管道接口之间。     

锻造工艺参数对TC4钛合金锻件残余应力的影响

针对非等温锻造时TC4钛合金锻件极易产生较大残余应力的问题,依据物理实验,建立并调控仿真模型,通过数值模拟的方法,对不同锻造工艺参数下的TC4钛合金锻件的残余应力进行分析。研究了变形温度、变形程度以及变形速度3个关键参量对TC4钛合金锻件残余应力的影响,揭示了残余应力的变化以及分布规律。结果表明:TC4钛合金锻件的径向残余应力关于中心轴线呈对称分布,但分布不均匀,从外表层至心部,残余应力由拉应力转化为压应力,在中心处应力较为集中;而TC4钛合金锻件的轴向残余应力从上表面到下表面分布较为均匀,且明显小于径向残余应力;关键参量中的变形温度和变形程度对TC4钛合金锻件残余应力的影响较为显著,而变形速度的影响较小,适当提高变形温度和变形速度、减小变形程度,可降低TC4钛合金锻件的残余应力。     

高频感应加热对TC4钛合金组织和硬度的影响

TC4钛合金经高频感应加热1.4、1.5、1.6 s后水冷,然后分别在350、400、450℃时效处理6 h。采用光学显微镜、显微硬度计研究感应加热淬火及时效处理对显微组织和硬度的影响。结果表明,TC4钛合金经感应加热淬火处理后可获得呈梯度分布的显微组织,表层组织以马氏体α′相为主,心部组织为原始双态组织。时效处理后TC4钛合金显微硬度从表层到心部递减,呈梯度分布。随着时效温度降低,显微硬度增加,强化效果提升。此外,随着感应加热时间的增加,TC4钛合金时效处理后的显微硬度也有所增加。     

轴类锻件热处理过程数值模拟及实验验证

本文利用热处理数值模拟软件Deform-3D对42Cr Mo+Ni轴类锻件的淬火过程进行了数值模拟,模拟了其温度场、组织转变、应力场的变化,并进行了实验验证,模拟结果与实验结果基本吻合。结果表明:淬火过程中,温度从表面到心部逐渐降低,表面温度下降得最快,心部下降得最慢,最后都降至室温;水冷的温差高于油冷;表面最先开始马氏体转变,心部最晚开始马氏体转变;从表面到心部马氏体含量逐渐减少,贝氏体含量逐渐增多;油冷冷却速度比水冷慢,形成马氏体的时间比水冷慢;在热应力和组织应力的共同作用下,无论水淬还是油淬,淬火初期表面为拉应力,中期为压应力,末期又变为拉应力,最后趋于平缓;心部应力的变化趋势与表面完全相反。从边缘位置到中心的硬度逐渐降低且在同一位置水淬的硬度要高于油淬的。     

大型锻件水空交替淬火过程的数值模拟

建立了33N iCrMoV14-5钢淬火过程温度-组织-应力耦合的数学模型,用自主有限元软件模拟了淬火过程中锻件温度场、组织场、应力场的演化过程,对不同的淬火工艺进行了比较。模拟结果表明水冷-空冷交替的淬火工艺可改善锻件表面附近的淬火应力状态,同时获得足够的心部冷速。对锻件内部应力场的计算表明水空交替淬火中,相变对应力场变化的影响大于热应力。     

调质大锻件高温回火冷却时的温度场与应力场分析

测量了调质大锻件高温回火冷却时的表面及心部冷却曲线、室温及低温冲击韧性，并且计算了400℃以后冷却时最大瞬时弹性热应力。结果表明：调质大锻件高温回火冷却到心部达400℃出炉空冷，不仅对残余热应力无明显影响，而且对室温冲击韧性略有改善，同时最大瞬时弹性热应力也构不成开裂的危险。     

空心圆柱体GCr15钢淬火过程的计算机模拟

用有限元法研究了GCr1 5钢圆柱体在油淬过程中的温度、组织及应力变化。在实测了淬火油换热系数的基础上 ,对轴对称空心圆柱体淬火时的温度场和组织场进行了模拟。同时运用热弹塑性理论 ,对圆柱体内外表面点及中心点应力的演化过程进行了模拟。模拟结果表明 :圆柱体内表面的冷速小于外表面。在淬火初期 ,由于热应力的作用使工件表面受拉而心部受压 ,在发生应力反向前 ,发生了组织转变 ,并使表面应力迅速转向 ,在应力达到最低点后又逐渐回升 ,最后表面形成了拉应力。心部的应力变化正好相反 ,最终形成了组织应力型的内应力分布。     

TC4钛合金鼓筒锻件锻造模拟及组织预测

采用刚塑性有限元方法和DEFORM-2D软件对TC4钛合金鼓筒锻件锻造过程和等轴初生α相的分布情况进行数值模拟,比较对击锤锻造和液压机锻造2种工艺下的温度场及应变分布情况。模拟结果表明：对击锤锻造易产生类似切削的缺陷,通过设计合适的坯料内侧倾角可以显著改善缺陷形成;液压机锻造成形后的锻件温度分布、应变分布和组织均较为均匀,不易产生锻造缺陷,是TC4钛合金鼓筒锻件成形的较优方式。液压机锻造的TC4钛合金锻件中等轴初生α相含量由心部到边缘逐渐增大,经组织验证,其等轴初生α相分布基本符合模拟云图。     

空心圆柱体GCrl5钢淬火过程的计算机模拟

用有限元法研究了GCr15钢圆柱体在油淬过程中的温度、组织及应力变化。在实测了淬火油换热系数的基础上，对轴对称空心圆柱体淬火时的温度场和组织场进行了模拟。同时运用热弹塑性理论，对圆柱体内外表面点及中心点应力的演化过程进行了模拟。模拟结果表明：圆柱体内表面的冷速小于外表面。在淬火初期，由于热应力的作用使工件表面受拉而心部受压，在发生应力反向前，发生了组织转变，并使表面应力迅速转向，在应力达到最低点后又逐渐回升，最后表面形成了拉应力。心部的应力变化正好相反，最终形成了组织应力型的内应力分布。     

铝合金大型锻件淬火过程的有限元模拟

采用Deform V11有限元软件,计算了T形7N01铝合金锻件的表面综合换热系数,仿真模拟了锻件淬火过程中的温度场、应力场与形变位移变化规律,分析了温度与热应力对锻件淬火形变的影响与作用机制。结果表明,淬火初期因温度梯度(最大温差达225 ℃)与热应力巨大差异,锻件肋板一侧在淬火时间为10 s时产生了最大程度的弹性与塑性变形,远大于无肋一侧,弯曲曲率增大;淬火中期锻件主要发生弹性形变,厚度大的肋板一侧收缩变形加剧,曲率变小,50 s时锻件基本不再变形;淬火后期阶段热应力趋于零,锻件冷却产生微量弹性形变,淬火结束后,锻件整体产生趋向肋板一侧的塑性弯曲变形,曲率半径大于加热前。     

大型锻件淬火组织场数值模拟

运用APDL(ANSYS参数化设计语言)语言对ANSYS进行二次开发,使其在模拟温度场的基础上可以进一步计算组织分布。为验证算法,选取一种贝氏体钢淬火,设定冷速为1℃/min、5℃/min、20℃/min、300℃/min匀速冷却,分别模拟计算组织百分数和制备试样观察相应冷速下的金相组织。结果表明模拟计算的结果和观测的金相组织吻合的比较好。最后采用本程序计算1.5 m大型锻件淬火过程的温度场和组织分布,结果显示这种贝氏体钢水冷却8 h后心部温度小于200℃,冷却结束后心部得到大于90%的贝氏体组织。     

去应力退火对TC18和TC21钛合金吸氢含量的影响

在井式空气炉内按GJB 3763A—2004标准的最高温度和最长保温时间对TC18和TC21钛合金进行了去应力退火,研究了空气炉去应力退火对TC18和TC21钛合金吸氢含量的影响。结果表明:与去应力退火前相比,TC18钛合金经空气炉去应力退火后氢含量有所增加,而TC21钛合金氢含量反而降低。经去应力退火后,TC18和TC21钛合金的氢含量分别为0.0029%和0.0025%,远小于材料规范要求的氢含量(＜0.015%);随表层至中心(深度变化),氢含量未见明显的规律性变化,里层氢含量与表层氢含量相差不大。从吸氢量考虑,该两种钛合金均可采用空气炉进行消除应力热处理。     

锻造工艺对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响

研究了不同锻造工艺（近β锻造、准β锻造、两相区锻造）对TC4-DT和TC21损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响,对比分析了不同锻造工艺的微观组织和疲劳裂纹扩展路径的关系。研究结果表明,与两相区锻造和近β锻造相比,TC4-DT和TC21钛合金经准β锻造后的疲劳裂纹扩展速率最低。准β锻造的锻件疲劳裂纹扩展路径曲折程度大,断口表面粗糙度大,有效地降低了疲劳裂纹扩展速率。     

TC4-DT钛合金SH-CCT曲线的测定

通过金相法进行了TC4-DT钛合金相变点温度T_β测定,并利用热膨胀法进行了验证。对不同冷却速度下TC4-DT钛合金的热膨胀量曲线进行测绘,结合显微组织分析和硬度测试,绘制了TC4-DT钛合金的SH-CCT曲线。结果表明,TC4-DT钛合金的相变温度为(945±5) ℃。当冷速小于10 ℃/s时,由β相转变的α相呈不同取向的集束状,同时,晶内出现网篮状α相;当冷速大于10 ℃/s后,组织为马氏体α′相+块状α_m相;当冷速超过100 ℃/s后,组织为马氏体α′相。TC4-DT钛合金发生马氏体转变的开始温度为836 ℃,终了温度为760 ℃。     

损伤容限型钛合金的等温锻造温度研究

研究了TC21钛合金在5.5×10-4s-1恒应变速率、40%变形程度条件下,等温锻造温度变化对锻件组织和性能的影响。结果表明:TC21钛合金显微组织对温度变化敏感,在两相区锻造时,显微组织由初生α相和β转变组织组成,并且随着变形温度的提高,初生等轴α相的含量逐渐减少,晶粒尺寸增大;在相变点温度锻造时得到网篮组织;在相变点以上温度锻造时得到片状组织。室温拉伸强度和断裂韧性随锻造温度的升高呈现增加趋势,室温拉伸塑性明显降低。在965℃等温锻造时,显微组织为较细的片状组织,强度、塑性和断裂韧性达到较佳匹配,获得较好的综合力学性能。965℃为较佳等温锻造温度。     

中厚板无约束淬火冷却过程温度场有限元模拟

针对中厚钢板无约束淬火冷却过程温度场变化情况,建立了钢板冷却二维传热过程数学模型,采用有限元分析方法,对钢板二维温度场进行了数值模拟,得到钢板在空冷-水冷-空冷返红条件下的温度-时间曲线、瞬态温度场分布、上表面与中心温差-时间曲线及上、下表面温差-时间曲线,为中厚钢板淬火冷却温度预测和控制提供了依据,为制定合理的淬火工艺提供了有力的指导。     

7075铝合金汽车支撑摆臂锻件固溶处理温度场模拟

利用ABAQUS有限元软件对7075铝合金汽车支撑摆臂锻件固溶处理过程温度场进行数值模拟,得到了锻件在不同升温方式、不同转运时间以及不同水温淬火下的温度场分布情况。结果表明,锻件随炉升温时,达到预定温度所需时间为112.1 min,最大温差为4.8 ℃;炉子到温后放入锻件升温时仅需71.2 min,最大温差为10.4 ℃。转运时间为3、3.5和4 min时,锻件中冷却最快部位的温度分别下降到384.0、375.9和367.8 ℃,最终确定转运时间不能超过3.5 min。采用25 ℃水淬时,冷却时间为95 s,冷却最快和最慢部位通过淬火温度敏感区的平均冷却速度分别为782.8和19.1 ℃/s,最大温差为237.6 ℃;80 ℃水淬时,冷却时间为56 s,锻件中冷却最快和最慢部分通过淬火温度敏感区的平均冷却速度则分别为587.4和16.8 ℃/s,最大温差为216.0 ℃。     

钛合金框锻件热锻过程中低倍组织分层及模具磨损行为的数值分析

TC18钛合金锻件低倍组织出现分层现象。较亮的低倍组织具有较低的性能,通常被称为冷模组织。降低冷却速度可能会减少冷模组织的产生,但也可能加剧模具磨损。通过模拟和实验研究了TC18钛合金框锻件热锻过程低倍组织分层、模具磨损与工艺参数间的关系。通过二次开发将冷模组织和磨损深度预测模型导入DEFORM软件。利用开发后的软件模拟了钛合金框锻件连续锻造生产过程,研究了冷模组织和磨损特性。利用响应面法和优化参数,讨论了不同参数下模具磨损与冷模组织厚度间的关系。结果表明：钛合金锻件冷模组织含量主要受接触条件的影响,而锻模磨损深度主要受模具预热温度的影响。应用玻璃纤维润滑剂能在不显著增加磨损深度的前提下实现锻件冷模缺陷组织含量的有效降低。     

TC4表面激光熔覆Ni60基涂层温度场热循环特性数值模拟研究

目的确定TC4钛合金激光熔覆的最优工艺参数,研究其热循环特性,分析激光熔覆温度对组织的影响规律。方法采用3D高斯热源,基于Sysweld软件平台,对TC4钛合金激光熔覆Ni60A-50%Cr3C2粉末过程进行数值模拟仿真,研究温度场云图及其热循环特性,模拟计算激光熔覆最高温度、加热速度和冷却速度,以及熔池最大深度和热影响区宽度,进行激光熔覆实验验证,结合熔覆层显微组织扫描电镜(SEM)图像,研究冷却速度对熔覆层组织的影响。结果由仿真可知,激光熔覆工艺参数中的光斑直径和送粉速度主要影响熔覆层的高度和宽度,对温度场分布起主要影响作用的是激光功率和扫描速度。激光功率为500 W,扫描速度为4 mm/s时,熔覆层区域熔化完全,与基体结合良好。激光熔覆最高温度为2700℃,最大加热速度约为2200℃/s,最大冷却速度约为1200℃/s,熔池最大深度在0.33~0.66 mm之间,热影响区宽度约为1.2 mm。模拟与实验得到的熔覆层截面形貌基本一致。不同冷却速度得到的熔覆层组织不同,随着冷却速度的降低,显微组织由短小的胞晶和树枝晶逐步转变为柱状晶、胞状晶和平面晶,最终形成淬火态的针状马氏体。结论最佳工艺参数为:激光功率500 W,扫描速度4 mm/s。冷却速度是影响熔覆层组织的重要因素,仿真模型的正确性及方法的可行性得到了实验验证。