CN112525949B - 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法 - Google Patents

一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112525949B
CN112525949B CN202011300483.9A CN202011300483A CN112525949B CN 112525949 B CN112525949 B CN 112525949B CN 202011300483 A CN202011300483 A CN 202011300483A CN 112525949 B CN112525949 B CN 112525949B
Authority
CN
China
Prior art keywords
quenching
temperature
field
medium
heat exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011300483.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112525949A (zh
Inventor
盖登宇
王若琛
褚元召
王昊
庄主
梁科鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN202011300483.9A priority Critical patent/CN112525949B/zh
Publication of CN112525949A publication Critical patent/CN112525949A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112525949B publication Critical patent/CN112525949B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法，1)使用淬火工件同种材料，加工制成圆柱形试样，在有机玻璃淬火槽中安装多个热电阻并编号；使用基于labview的淬火信号采集软件收集记录数据；2)使用编程软件对收集到的数据进行处理，区分淬火沸腾的不同阶段，计算试样不同位置的换热系数，并建立声信号与换热系数的联系；3)使用软件计算或实际测量得到材料的热力学参数，建立有限元模拟需要的材料模型；4)生产过程中，记录淬火时介质多点的温度和声信号并结合有限元模拟，建立淬火模型，得到全过程的温度场、组织场。本发明通过曲线拟合的方法计算得到的换热系数可以使淬火过程的数值模拟结果进一步提高精度。

Description

一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法
技术领域
本发明涉及一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法，属于淬火结果预测领域。
背景技术
淬火常作为工件加工的最终热处理，生成马氏体以提高材料硬度、强度。淬火降温过程的精确温度曲线的测量和预测一直是一个研究热点。
淬火温度曲线的实测大多使用热电偶测温，使用多个K型铠装热电偶插入试样内部记录温度，将得到的温度曲线整合，可以一定程度上反映淬火件的温度场。
使用测量低温更准确的热电阻测量介质温度，可以得到淬火介质内定点的温度，布置多个热电阻可以测量淬火介质在全程的温度分布。
目前淬火全过程温度场大多是使用测量或计算的材料热力学参数，通过有限元软件计算得到，但是这种方法得到的温度场不能准确反映实际降温过程。
主要原因为：模拟过程一般没有考虑随淬火进行介质温度升高的影响，工程中常见的模拟方式会将淬火时介质和工件的对流换热简化为一个固定的换热系数和固定的介质温度，但实际上，工件附近的介质温度会有显著的升高，且伴随有换热系数的改变。
模拟中还会忽略淬火介质沸腾的影响，淬火剧烈的传热过程使工件表面附近的介质产生沸腾，随温差降低分为三个阶段：膜沸腾、过渡沸腾和核沸腾。这三阶段因气泡产生的对工件的隔热效果的不同，有着不同的换热系数曲线。
声信号的能量由淬火产生的气泡破裂和气体流动产生，声信号的能量密度可反映气泡和气体的能量密度，进而表征淬火热流密度，结合介质温度可以间接的表征换热系数。
使用声传感器可记录淬火声音的变化，通过对声信号和多个热电偶、热电阻测得的温度曲线的联立分析可以得到不同位置的换热系数随温度变化的曲线。
使用专用光源向淬火槽中打光，使淬火过程的气泡清晰易识别，使用隔音泡沫减少淬火槽中回音的影响。
发明内容
本发明针对目前无法准确预测淬火过程的问题，提供一种可以准确预测淬火件温度场组织场的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法，包括如下步骤：
1)使用淬火工件同种材料，加工制成圆柱形试样，在其中安装多个热电偶并编号，在有机玻璃淬火槽中安装多个热电阻并编号；声音传感器使用支架固定在试样与介质接触位置附近，热电偶、热电阻、声传感器通过温度变送器与数据采集仪连接，使用高速摄像机拍摄有机玻璃水槽中的淬火过程，摄像机和数据采集仪通过工业交换机与电脑相连，使用基于labview的淬火信号采集软件收集记录数据；
2)使用编程软件对收集到的数据进行处理，区分淬火沸腾的不同阶段，计算试样不同位置的换热系数，并建立声信号与换热系数的联系；
3)使用软件计算或实际测量得到材料的热力学参数，建立有限元模拟需要的材料模型；
4)生产过程中，只需要记录淬火时介质多点的温度和声信号并结合有限元模拟，便可建立淬火模型，得到全过程的温度场、组织场。
本发明还包括这样一些特征：
所述方法使用的设备包括淬火部分和信号采集处理部分；所述淬火部分包括：有限位装置的升降台，顶端有孔可开合的圆筒式加热炉，带有导轨的加热炉底座，有机玻璃淬火槽，用于安装固定热电阻的铁丝架；信号采集处理部分包括：声音传感器，高速摄像机，热电偶，热电阻，数据采集仪，温度变送器及电源和数据处理用计算机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
对于难以直接测量温度场，常用的数值模拟技术又不够准确的淬火过程，提出可以用于多种淬火介质，多种淬火温度的一种温度场组织场精确预测方案。使用多种信号检测设备从多方面记录分析淬火过程，考虑到介质温度升高的影响，使用高速摄像机准确鉴别气泡情况区分沸腾阶段。通过曲线拟合的方法计算得到的换热系数可以使淬火过程的数值模拟结果进一步提高精度。
附图说明
图1是本发明实验设备示意图；
图2是试样示意图；
图3是原始图片；
图4是经过处理的图片；
图5是原始声信号；
图6是经过处理的声信号；
图7是入水过程声信号曲线拟合；
图8是水中换热过程声信号曲线拟合；
图9是实测两根热电偶温度曲线；
图10是模拟得到对应点温度曲线；
图11是模拟得到的温度场。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的设备要求如图所示
分为淬火部分和信号采集处理部分，淬火部分包括：有限位装置的升降台，顶端有孔可开合的圆筒式加热炉，带有导轨的加热炉底座，有机玻璃淬火槽，由于安装固定热电阻的铁丝架。信号采集处理部分包括：声音传感器，高速摄像机，热电偶，热电阻，数据采集仪，温度变送器及电源，数据处理用计算机。
本发明的技术方案：
一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法的特征是，包括以下步骤：
1)使用淬火工件同种材料，加工制成圆柱形试样，在其中安装多个热电偶并编号，在有机玻璃淬火槽中安装多个热电阻并编号。声音传感器使用支架固定在试样与介质接触位置附近。热电偶、热电阻、声传感器通过温度变送器与数据采集仪连接。使用高速摄像机拍摄有机玻璃水槽中的淬火过程。摄像机和数据采集仪通过工业交换机与电脑相连。使用基于labview的淬火信号采集软件收集记录数据。使用专用光源向淬火槽中打光，使淬火过程的气泡清晰易识别，使用隔音泡沫减少淬火槽中回音的影响。
2)使用编程软件对收集到的数据进行处理，区分淬火沸腾的不同阶段，计算试样不同位置的热流密度，并建立声信号与换热系数的联系。
3)使用软件计算或实际测量得到材料的热力学参数，建立有限元模拟需要的材料模型。
4)生产过程中，只需要记录淬火时介质多点的温度和声信号并结合有限元模拟，便可建立淬火模型，得到全过程的温度场。
进一步可以，通过计算得到的温度场可以结合材料的相变数据，模拟计算得到组织场。
1、将加工好的试样安装好热电偶，焊接封口防止淬火介质进入试样内部影响换热边界条件。
2、将试样用铁丝固定在升降台夹具下方5cm处，使用升降台将试样降入水中确定试样可以完全没入水中，且夹具距水面有一定距离。同时调整摄像机至清晰拍摄整个入水过程，并设定限位块记录下降距离。之后升高夹具至原位置。
3、将加热炉推至滑轨末端，设置淬火温度后开始升温，达到指定温度后，打开前拉加热炉，将试样包入炉膛，锁定加热炉，加热回指定温度后保温规定时间。
4、打开淬火温度采集系统，开始采集淬火的试样温度、介质温度、声信号、图像信号。
5、打开加热炉同时使用升降台将试样下降到指定位置，使用数据采集系统记录所有信号。
6、使用数据分析系统处理得到的数据，建立声信号与换热系数的联系。
7、使用编程软件处理高速摄像机拍摄的图片，经过二值化、轮廓填充处理，计算得到气泡的周长、面积。使用总面积和总周长的比值表征气泡的连接程度，以区分沸腾的三个阶段。
8对三个阶段分别使用曲线拟合建立声信号的能量密度与换热系数的联系，得到非线性回归方程。
9、得到两者的映射关系后，实际生产中不需安装热电偶和摄像机，仅记录淬火声信号，并在淬火介质中的合理位置布置热电阻测量介质温度，根据映射关系计算出换热系数，再结合介质温度可以通过有限元软件准确计算出淬火全过程的温度场。
进而可以计算出全过程组织场。

Claims (2)

1.一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)使用淬火工件同种材料，加工制成圆柱形试样，在其中安装多个热电偶并编号，在有机玻璃淬火槽中安装多个热电阻并编号；声音传感器使用支架固定在试样与介质接触位置附近，热电偶、热电阻、声音传感器通过温度变送器与数据采集仪连接，使用高速摄像机拍摄有机玻璃水槽中的淬火过程，摄像机和数据采集仪通过工业交换机与电脑相连，使用基于labview的淬火信号采集软件收集记录数据；
2)使用编程软件对收集到的数据进行处理，区分淬火沸腾的不同阶段，计算试样不同位置的换热系数，并建立声信号与换热系数的联系；
3)使用软件计算或实际测量得到材料的热力学参数，建立有限元模拟需要的材料模型；
4)生产过程中，记录淬火时介质多点的温度和声信号并结合有限元模拟，建立淬火模型，得到全过程的温度场、组织场。
2.根据权利要求1所述的通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法，其特征是，所述方法使用的设备包括淬火部分和信号采集处理部分；所述淬火部分包括：有限位装置的升降台，顶端有孔可开合的圆筒式加热炉，带有导轨的加热炉底座，有机玻璃淬火槽，用于安装固定热电阻的铁丝架；信号采集处理部分包括：声音传感器，高速摄像机，热电偶，热电阻，数据采集仪，温度变送器及电源和数据处理用计算机。
CN202011300483.9A 2020-11-19 2020-11-19 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法 Active CN112525949B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011300483.9A CN112525949B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011300483.9A CN112525949B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112525949A CN112525949A (zh) 2021-03-19
CN112525949B true CN112525949B (zh) 2023-08-15

Family

ID=74981661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011300483.9A Active CN112525949B (zh) 2020-11-19 2020-11-19 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112525949B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579107B (zh) * 2020-05-13 2022-03-15 中国航发北京航空材料研究院 一种叶片高温真空热处理负载温度场及冷速场测量方法
CN114113201A (zh) * 2021-09-30 2022-03-01 洛阳中重铸锻有限责任公司 一种大型铸锻件热处理性能物理模拟方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1595928A1 (ru) * 1988-11-14 1990-09-30 Институт технической теплофизики АН УССР Способ контрол термической обработки стальных изделий
JP2002146434A (ja) * 2000-08-30 2002-05-22 Idemitsu Kosan Co Ltd 熱処理方法
CN103033277A (zh) * 2012-12-07 2013-04-10 山东科技大学 一种用于评估界面温度与界面换热系数关系的装置及方法
CN110819775A (zh) * 2019-11-18 2020-02-21 哈尔滨工程大学 一种可测连续温度场的端淬试验机及其测量方法
CN111157135A (zh) * 2020-01-20 2020-05-15 扬州大学 一种淬火零件表面温度的间接测量方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1595928A1 (ru) * 1988-11-14 1990-09-30 Институт технической теплофизики АН УССР Способ контрол термической обработки стальных изделий
JP2002146434A (ja) * 2000-08-30 2002-05-22 Idemitsu Kosan Co Ltd 熱処理方法
CN103033277A (zh) * 2012-12-07 2013-04-10 山东科技大学 一种用于评估界面温度与界面换热系数关系的装置及方法
CN110819775A (zh) * 2019-11-18 2020-02-21 哈尔滨工程大学 一种可测连续温度场的端淬试验机及其测量方法
CN111157135A (zh) * 2020-01-20 2020-05-15 扬州大学 一种淬火零件表面温度的间接测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
奈良崎等.高温金属淬火时产生的沸腾噪声.兵器材料科学与工程.1990,(第4期),第66-72页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112525949A (zh) 2021-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112525949B (zh) 一种通过声信号和介质温度预测淬火温度场组织场的方法
CN102297735B (zh) 标准恒温槽触摸屏智能测控及自动计量检测系统
CN102288507B (zh) 耐火材料高温抗热震性的测试装置及其使用方法
CN109001254B (zh) 一种快速测试冶金熔渣高温导热系数的装置及方法
CN108760546A (zh) 一种基于红外热像技术的疲劳裂纹扩展速率测量方法
CN111256859B (zh) 检测热影响区温度的系统和方法及存储介质
CN103134828A (zh) 热障涂层热障性能与热震性能同步测试装置及其测试方法
CN108254404A (zh) 一种玻璃退火及线性膨胀系数一体测试装置及方法
CN111795993B (zh) 一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法
CN211235352U (zh) 一种淬火介质冷却能力测定仪
CN109324079B (zh) 一种基于超声的材料热膨胀系数的测量方法
CN110018195A (zh) 一种无损表征保护渣渣膜传热性能的方法
Pan et al. Polymorphic temperature measurement method of molten iron after skimmer in ironmaking process
CN103018137B (zh) 一种用于测定热冲压过程中接触热阻的装置及方法
CN103033531B (zh) 一种用于测定气体淬火过程中界面换热系数的装置及方法
CN110579293B (zh) 一种结构件真空热处理淬火温度检测方法
CN111175341A (zh) 一种材料低温线膨胀系数光学测试系统及测试方法
CN202119565U (zh) 标准恒温槽触摸屏智能测控及自动计量检测系统
CN104457997B (zh) 一种有机热载体锅炉过热在线检验方法
CN109506807B (zh) 一种稳态条件下的高温结构内部温度及壁厚同时测量方法
CN210923335U (zh) 混凝土瞬态高温变形与破坏的同步测试系统
CN207318394U (zh) 一种导热系数测定实验系统
JPH02311748A (ja) 熱変化測定方法
CN117783416A (zh) 一种固体材料的可燃性评价系统及方法
CN213632443U (zh) 一种精确检测炉温均匀性的装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant