《美国金属学会热处理手册》 C卷 《感应加热与热处理》本手册编委会.2022简介

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《美国金属学会热处理手册》 C卷 《感应加热与热处理》本手册编委会.2022简介

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阿谢克那·李

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xiang129

美国金属学会热处理手册》 C卷 《感应加热与热处理》本手册编委会.2022简介

xiang129

中文版前言

序

前言

使用计量单位说明

第1章感应加热的基本原理1

1.1感应加热的发展历程与应用1

1.1.1感应加热的发展历程1

1.1.2感应加热的应用2

1.1.3感应加热的优势3

致谢4

参考文献4

1.2基本原理4

1.2.1热传递4

1.2.2直流电路、交流电路及其

基本定律15

1.2.3电磁场理论的基本概念18

参考文献32

1.3材料的电磁性能和热性能33

1.3.1热性能33

1.3.2电磁性能37

参考文献44

选择参考文献44

1.4感应加热基本参数的估算45

1.4.1透热加热工件应用的功率估计45

1.4.2线圈效率46

1.4.3频率选择47

1.4.4结论50

参考文献52

第2章钢的感应热处理53

2.1钢的感应淬火冶金原理53

2.1.1概述53

2.1.2钢铁热处理基础53

2.1.3感应热处理应用60

2.1.4感应热处理用钢67

致谢67

参考文献68

选择参考文献68

2.2感应淬火与检测的基本原理69

2.2.1概述69

2.2.2冶金学综述69

2.2.3电磁感应和热学基础70

2.2.4感应淬火技术79

2.2.5感应器和热形控制84

2.2.6淬火冷却技术89

2.2.7频率、功率和加热时间的选择92

2.2.8硬化层深度评估95

2.2.9表面硬度测试101

2.2.10感应淬火工件的无损检测102

参考文献103

2.3感应加热钢的淬火冷却104

2.3.1淬火冷却工艺105

2.3.2淬火硬化和淬火残余应力105

2.3.3淬火方式111

2.3.4淬火冷却介质114

2.3.5淬火冷却介质的维护121

2.3.6淬火冷却系统的设计122

2.3.7常见问题及原因123

致谢124

参考文献124

选择参考文献124

2.4感应淬火钢中的残余应力125

2.4.1概述125

2.4.2感应淬火硬化的一般特点125

2.4.3残余应力126

2.4.4淬火冷却引起的残余应力131

2.4.5残余应力的分布135

2.4.6疲劳强度139

2.4.7感应淬火对疲劳强度和残余应力的

影响145

2.4.8复合感应热处理156

参考文献160

2.5感应淬火钢的回火162

2.5.1钢淬火后的回火163

2.5.2感应加热工艺要求168

2.5.3自回火171

2.5.4感应回火方法173

2.5.5感应回火工艺参数174

2.5.6回火温度和时间的选择176

2.5.7工艺参数的影响186

2.5.8感应回火实践192

2.5.9回火零件的性能193

2.5.10小结203

致谢205

参考文献205

2.6驱动轴的感应淬火206

2.6.1概述206

2.6.2驱动轴206

2.6.3感应淬火驱动轴的性能208

2.6.4感应淬火的后续加工223

参考文献224

2.7曲轴和凸轮轴的感应淬火224

2.7.1曲轴的感应淬火224

2.7.2凸轮轴的感应淬火235

参考文献240

选择参考文献241

2.8齿轮和类齿零件的感应淬火241

2.8.1概述241

2.8.2齿轮技术242

2.8.3材料的选择245

2.8.4齿轮淬火层热形及其适用性247

2.8.5单齿沿齿沟淬火与旋转扫描

淬火248

2.8.6穿透加热的表面淬火256

2.8.7计算机建模260

2.8.8检验和测试261

2.8.9典型的失效形式及预防270

致谢270

参考文献270

2.9工程机械零件的感应淬火272

2.9.1典型应用272

2.9.2感应淬火用材料274

2.9.3工艺因素276

2.9.4工艺验证279

2.9.5设备因素281

2.9.6前景展望282

致谢282

参考文献283

2.10航空航天领域的感应淬火283

2.10.1要求和特点283

2.10.2零件的应用和材料285

2.10.3工艺监测288

2.10.4经济方面288

参考文献288

2.11感应淬火零件的缺陷和异常特征289

2.11.1原始显微组织和晶粒尺寸289

2.11.2脱碳290

2.11.3残余应力291

2.11.4碳和残余合金含量291

2.11.5夹杂物291

2.11.6过热或过烧291

2.11.7淬火裂纹292

2.11.8螺旋纹效应293

2.11.9内部裂纹和晶粒异常长大293

2.11.10裂缝、重叠和其他磁粉显示的

缺陷295

2.11.11硬度和显微组织不合格296

2.11.12机械矫直裂纹302

2.11.13淬硬层深度不合格302

2.11.14铸铁件303

参考文献303

第3章感应热处理的建模与仿真304

3.1物理过程分析设计方法、工具和

软件304

3.1.1静态、瞬态、频域耦合问题和多物

理场304

3.1.2解析法——分离变量法306

3.1.3有限差分法309

3.1.4有限单元法和能量变分法312

3.1.5体积积分耦合电路法315

3.1.6典型的数值模拟程序结构316

参考文献324

3.2电磁问题求解325

3.2.1麦克斯韦方程组326

3.2.2电磁场数学模型327

参考文献329

3.3温度问题求解330

3.3.1概述330

3.3.2数学模型330

参考文献332

3.4耦合问题求解332

3.4.1弱耦合法333

3.4.2准耦合法334

3.4.3硬耦合法334

参考文献334

3.5钢感应淬火中应力应变的建模和

模拟335

3.5.1钢的化学成分和显微组织335

3.5.2奥氏体形成和分解模型336

3.5.3应力和变形的数值模拟341

3.5.4开裂问题347

3.5.5感应淬火的应力350

3.5.6整体感应淬火的应力状态353

参考文献358

选择参考文献359

第4章感应加热成形360

4.1温成形与热成形360

4.1.1普通碳素钢和低合金钢360

4.1.2微合金锻钢362

4.1.3不锈钢364

4.1.4铝合金366

4.1.5钛合金367

4.1.6高温合金368

4.1.7铜合金370

4.2碳素钢和合金钢的温热成形371

4.2.1微观组织对钢感应加热的

影响371

4.2.2不同合金钢感应加热注意事项373

4.2.3热锻温度374

4.2.4合金钢的成分范围374

参考文献375

4.3高温合金和不锈钢加热温度要求375

4.3.1不锈钢375

4.3.2镍基高温合金376

4.3.3不锈钢和高温合金的感应加热

工艺376

4.3.4感应加热过程的数值模拟380

参考文献382

4.4钛合金、铝合金、镁合金和铜合金的

加热温度要求384

4.4.1铝及铝合金384

4.4.2铜合金387

4.4.3镁合金388

4.4.4钛合金390

4.4.5钛合金、铝合金、镁合金和铜合金

的电阻率与电导率394

参考文献408

4.5坯料、杆材和棒料的感应加热技术410

4.5.1感应加热基本工艺参数的估算412

4.5.2坯料感应加热设计理念419

参考文献430

4.6局部感应加热431

4.6.1棒材、杆材和坯料的端部

加热431

4.6.2螺旋形端部感应加热线圈435

4.6.3椭圆形线圈438

4.6.4隧道形感应器439

4.6.5棒料和坯料端部加热的计算机

模拟440

4.6.6局部去应力441

4.6.7管子端部去应力441

4.6.8焊缝去应力442

4.6.9弯管的局部加热445

4.6.10其他应用和感应器设计446

参考文献447

4.7电磁设备的优化设计原理和多目标

优化447

4.7.1设计、优化和电磁学计算447

4.7.2设计问题的多目标公式化448

4.7.3帕累托优化方法概述449

4.7.4进化计算451

4.7.5基于场的优化问题452

4.7.6盘状石墨的感应加热——饼状感

应器的优化设计453

4.7.7计算结果454

4.7.8小结455

参考文献455

4.8金属温热成形前的感应加热优化

控制456

4.8.1感应加热过程的优化问题456

4.8.2金属感应加热优化过程的计算

方法463

4.8.3静态感应加热过程的优化控制466

4.8.4步进式和连续式感应加热过程的

优化控制489

4.8.5复杂金属热成形操作中技术流程的

复合优化497

参考文献503

第5章感应熔炼505

5.1感应熔炼的基本原理505

5.1.1感应熔炼过程的物理原理506

5.1.2坩埚式感应炉的基本原理506

5.1.3沟槽式感应炉的基本原理511

5.1.4冷坩埚式感应炉的基本原理515

5.1.5渣壳感应熔炼的基本原理517

参考文献518

5.2感应熔炼的计算模型和试验验证518

5.2.1基本热现象518

5.2.2流体动力学的基本现象526

5.2.3质量传递现象532

5.2.4湍流流动与热质交换536

5.2.5流体流动的数值计算543

5.2.6坩埚式感应炉内湍流流动的数值

模型550

参考文献557

5.3坩埚式感应炉的构成与设计559

5.3.1炉体559

5.3.2供电电源566

5.3.3外围设备572

5.3.4总体布置578

参考文献580

5.4坩埚式真空感应炉的组成、设计和

操作581

5.4.1真空感应炉581

5.4.2放电的物理原理582

5.4.3真空感应炉的线圈设计583

5.4.4真空感应炉的类型584

5.4.5真空感应炉的操作586

选择参考文献587

5.5沟槽式感应炉的组成及设计587

5.5.1炉子熔池587

5.5.2沟槽式感应体592

5.5.3供电电源595

5.5.4冷却装置595

参考文献596

5.6钢铁和有色金属感应熔炼工艺的

冶金学596

5.6.1铸铁596

5.6.2铸钢608

5.6.3铝610

5.6.4铜材614

参考文献617

5.7铸铁感应熔炼炉的运行618

5.7.1坩埚式感应炉的熔炼619

5.7.2坩埚炉用于双联、保温以及熔炼-保

温两用635

5.7.3沟槽式炉的保温636

5.7.4压力浇注炉的浇注644

5.7.5铁液的连续供给652

参考文献656

5.8感应炉在钢和有色金属生产中的

应用657

5.8.1坩埚式感应炉在小型钢厂的

应用659

5.8.2感应熔炼设备在铝工业中的

应用662

5.8.3感应加热在铜材加工中的应用667

5.8.4熔炼锌感应装置671

参考文献673

5.9玻璃和氧化物熔炼674

5.9.1感应器-坩埚炉的物理模型675

5.9.2冷坩埚式感应炉的物理模型676

5.9.3金属液性能对温度的依赖性678

5.9.4坩埚式感应炉和冷坩埚式感应炉中

物理场与熔炼性能的相互关系679

5.9.5坩埚式感应炉和冷坩埚式感应炉

建模的控制方程和边界条件680

5.9.6冷坩埚式感应炉电磁场

建模特点681

5.9.7冷坩埚式感应炉中渣壳形成的

数值模拟683

5.9.8坩埚式感应炉中玻璃和渣壳

建模结果683

参考文献688

选择参考文献690

5.10感应熔炼过程的能源和环境690

5.10.1不同熔炼过程的能源要求691

5.10.2提高坩埚式感应炉熔炼效率的

研究693

5.10.3熔炼炉的能量和生态对比695

5.10.4感应熔炼过程的能量和电源

管理698

参考文献699

5.11感应熔炼炉的运行安全699

5.11.1一般监测和管理699

5.11.2耐火内衬的监测699

5.11.3蚀损检测/蚀损监测方法700

参考文献707

选择参考文献707

第6章感应加热设备708

6.1感应加热、热处理、焊接和熔炼用

电源设计概论708

6.1.1感应加热系统的发展710

6.1.2电力电子元件710

6.1.3电源装置712

6.1.4电路713

6.1.5感应加热电源714

6.1.6串联与并联拓扑对比717

6.1.7低频电源719

6.1.8带多个加热站的电源719

6.1.9电源控制720

6.1.10电源的特殊参数720

6.1.11系统设计-电源的选择723

6.1.12加热站的构成724

6.1.13电源的维护725

参考文献725

6.2感应热处理、钎焊和焊接电源725

6.2.1一发法热处理的负载条件示例726

6.2.2垂直扫描感应加热的负载条件726

6.2.3钎焊的负载条件726

6.2.4用于感应热处理、钎焊电源的

典型功率元件728

6.2.5电源类型729

6.2.6逆变器729

6.2.7开关器件729

6.2.8倍频谐波感应电源730

6.2.9输出回路732

6.2.10同步双频感应加热电源734

6.2.11独立控制频率和功率的

感应加热电源734

6.2.12现代感应电源控制系统的发展738

6.2.13未来的感应加热电源739

6.3感应热处理感应器的设计和制造739

6.3.1感应热处理方法740

6.3.2感应器设计的注意事项741

6.3.3工件中的电流741

6.3.4频率的影响744

6.3.5工件不同位置的加热控制745

6.3.6工件的装夹方式748

6.3.7感应器的结构749

6.3.8感应器的汇流排/管和连接板750

6.3.9感应器设计中淬火冷却方面的注意

事项751

6.3.10感应器的冷却752

6.3.11案例研究：一次加热型感应器的

温度753

6.3.12热处理感应器的类型758

6.3.13热处理感应器的制造技术758

6.3.14导磁体的附件758

6.3.15感应器制造的最后工序759

参考文献760

6.4棒、块、板加热感应器的设计和

制造760

6.4.1设计理念761

6.4.2特异性设计761

6.4.3铜感应器设计和锻造加热感应器的

构造762

6.4.4感应器电绝缘765

6.4.5感应加热用耐火衬里及其安装768

6.4.6感应器的耐磨导轨772

6.4.7首次使用电源时的注意事项774

6.4.8锻造加热感应器的预防性维护774

6.4.9小结775

6.5热处理、钎焊和软钎焊感应器的设计和

制造775

6.5.1制造感应器的材料776

6.5.2一般感应器的结构、制造和电源连接

技术781

6.5.3感应器设计782

6.5.4感应器设计的关键变量785

6.5.5不同材料钎焊的感应器设计788

参考文献792

6.6感应加热和熔炼用导磁体792

6.6.1感应加热应用中的磁路793

6.6.2导磁体在感应系统中的作用793

6.6.3磁通控制用材料793

6.6.4在感应器上使用导磁体的设计

指南795

6.6.5导磁体对普通感应器的影响796

6.6.6导磁体的冷却798

6.6.7确定软磁材料的厚度800

6.6.8透热加热应用中的磁通控制801

6.6.9感应焊管应用中的磁通控制804

6.6.10局部热处理应用中的磁通控制806

参考文献807

6.7感应器故障和预防的系统分析807

6.7.1感应器的基本知识807

6.7.2电流对裂纹扩展的影响809

6.7.3感应器材料的选择812

6.7.4感应器匝的电磁边缘效应814

6.7.5导磁体对感应器寿命的影响816

6.7.6感应器端效应821

6.7.7淬火感应器的制造822

6.7.8逐齿齿轮淬火感应器825

6.7.9蛤壳式感应器826

6.7.10非接触式感应器827

6.7.11内表面加热感应器及其失效

模式830

6.7.12分支返回式感应器和蝶形

感应器832

6.7.13电磁邻近效应834

6.7.14正确的电连接837

6.7.15小结839

参考文献841

6.8变压器设计和负载匹配842

6.8.1变压器和感应加热电抗器842

6.8.2负载匹配848

参考文献853

6.9立式、卧式和逐齿扫描淬火机床854

6.9.1立式扫描淬火机床854

6.9.2卧式扫描淬火机床858

6.9.3逐齿扫描淬火机床861

参考文献863

选择参考文献863

6.10可控气氛室864

6.10.1可控气氛的种类864

6.10.2选择可控气氛室应考虑的因素872

6.10.3可控气氛室的类型872

参考文献877

6.11感应加热系统的物料传送设备877

6.11.1棒材和坯料送料传送系统877

6.11.2感应加热送料系统882

6.11.3热坯料传送系统884

选择参考文献887

6.12感应热处理设备的维护887

6.12.1硬度测试设备887

6.12.2电源和加热设备887

6.12.3控制器、可编程控制器和

计算机系统888

6.12.4水冷系统888

6.12.5夹具与机械装置890

6.12.6气动装置890

6.12.7线圈和总线工作890

6.12.8淬火系统891

6.12.9感应设备的搬运和存放892

6.12.10小结893

6.13感应设备的水冷系统893

6.13.1电源循环水系统893

6.13.2冷却塔895

6.13.3空冷式换热器895

6.13.4小型辅助风冷式换热设备895

6.13.5闭式蒸发冷却塔896

6.13.6敞开式蒸发冷却塔897

6.13.7冷却塔的安置898

6.13.8制冷机组900

6.13.9小结901

致谢901

第7章过程控制、检测、设计和质量

保障902

7.1感应加热的过程控制、检测、设计和质

量保障规范902

7.1.1过程控制模式903

7.1.2过程监控信号903

7.1.3与监控对应的冶金破坏性测试909

7.1.4可编程逻辑控制器909

7.1.5系统设计时要考虑的问题909

参考文献910

7.2使用红外测温仪控制感应加热温度910

7.2.1红外测温原理910

7.2.2红外测温计工作原理912

7.2.3如何正确选择仪器914

7.2.4安装和维护917

7.2.5应用920

7.2.6热像仪923

7.3感应加热控制系统925

7.3.1机床控制系统/接口布线925

7.3.2操作界面926

7.3.3安全控制927

7.3.4电源、操作界面和机床编程927

7.3.5温度控制和编程927

7.3.6小结929

7.4感应钎焊工艺设计929

7.4.1软钎焊与硬钎焊930

7.4.2在钎焊前清洗母材931

7.4.3软钎料932

7.4.4软钎焊钎剂932

7.4.5铜基金属的软钎焊性能932

7.4.6常见的软钎焊接头缺陷932

7.4.7硬钎料933

7.4.8可用于钎焊的母材933

7.4.9接缝形状设计与连接强度933

7.4.10正确选择感应加热设备934

7.4.11钎焊质量检验936

7.4.12建立可靠钎焊的工艺过程936

7.4.13使用自动化设备钎焊零件937

7.4.14过程记录938

7.4.15小结939

参考文献939

7.5检测和无损检测方法939

7.5.1过程检测939

7.5.2破坏性检测方法940

7.5.3无损检测评价941

参考文献953

7.6职业磁场辐射的控制——国际标准及

规定953

7.6.1电磁场954

7.6.2对健康影响的担忧954

7.6.3对健康的直接影响955

7.6.4对健康可能产生的间接影响955

7.6.5正常辐射水平957

7.6.6工业环境中的辐射水平960

7.6.7政府监督960

致谢966

参考文献966

选择参考文献968

第8章感应加热的特殊应用969

8.1玻璃感应熔炼的历史969

参考文献972

8.2玻璃感应熔炼和成形973

8.2.1玻璃制备的基础知识973

8.2.2熔炼973

8.2.3成形978

8.2.4感应加热与耐火材料981

参考文献983

8.3在光纤拉制过程中的感应加热983

8.3.1光纤拉伸张力983

8.3.2温度要求984

8.3.3室温加热环境986

8.3.4加热的零件尺寸987

8.3.5基座材料的选择987

参考文献988

8.4纳米粒子感应加热在热疗中的应用988

8.4.1纳米粒子988

8.4.2感应加热989

参考文献990