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热处理数值模拟作为一种设计产品热处理工艺的辅助手段,可以节省大量试验成本,提高热处理工艺开发效率,现已得到较为广泛的应用。然而,作为模拟输入参数之一的边界换热系数,由于其影响因素复杂,前人测定的结果在不同环境下往往不可复用,影响了热处理模拟的应用。近年来,通过扩展热处理模拟的求解域,引入对热处理介质流动和工件之间传热的模拟,以代替边界换热系数在模拟中的作用,已经成为热处理数值模拟的发展方向之一。本文首先比较了热处理过程中介质流体域与工件固体域各自成熟的离散原理和数值分析方法,有限体积法相较于有限元法具有计算量小的优点,更加适合于大型热处理设备内部流场的模拟。针对热处理过程中的流固耦合交互作用,本文提出了借助MPCCI软件的网格插值功能,利用有限元-有限体积耦合计算的方法,首次实现了热处理过程流体-温度-组织-应力的耦合计算。本文建立了高压气淬过程的多场耦合数值模型,模拟了20CrMo钢圆柱散料工件在SGF-644H真空高压气淬炉中的冷却过程,并进行了实验验证。模拟结果表明,圆柱散料工件在气淬炉中的冷却并不均匀,同一时刻不同位置的工件存在温差,其主要原因是料盘对气体流动的阻挡作用使工件附近部分区域气体的流速下降,导致冷速降低。淬火后工件内部主要由铁素体和贝氏体组织构成,不同位置处的各相体积分数占比不同,工件端部的贝氏体组织较多。工件内部未生成大量马氏体组织,最终的残余应力很小,平均约为10MPa。温度采样数据与金相测试的实验结果表明,高压气淬工艺的模拟结果与实测结果略有偏差,但整体吻合较好。本文进行了30Cr2Ni4MoV钢低压转子在大型井式电阻炉中强制对流加热过程的多场耦合数值模拟,得到了加热炉内部气体流场和温度场以及转子温度场、组织场和应力场。模拟结果显示,炉内气体流速分布不均,转子上轴头附近流速最高,向下逐渐降低,下轴头处最低,同时炉内气体的温度场分布也存在不均匀现象,气体流速越快的区域气体温度越高,导致转子在加热过程中上下轴头心部存在温差,最大约为37℃;转子在阶梯加热过程中,最大温差与最大热应力均出现于第一次升温结束时刻左右,出现的位置在转子中心截面附近,其中最大温差为135℃左右,最大热应力约为182MPa。转子中心截面上表面与心部的奥氏体化间隔在17个小时左右。研究了不同的入口流速对转子加热时温度、组织和热应力的影响。结果表明,入口流速的降低对转子表面不同位置气体流速的影响不同,从上至下流速下降的幅度逐渐降低。随着入口流速的降低,转子在加热过程中的最大温差和最大热应力增大,转子的奥氏体化开始时间逐渐向后推移,表面与心部奥氏体化开始时间间隔也逐渐增大。