电子束相变硬化过程中温度场与组织场双向耦合过程的模拟研究,对探究温度场-应力场-组织场三场之间的相互作用与分布规律,研究表面相变硬化机理,优化相变硬化工艺参数等有重要意义。　　本文基于 Scheil叠加法则计算奥氏体化开始转变温度,采用 Avrami方程和Koistinen-Marburger公式计算电子束相变硬化过程中奥氏体和马氏体体积分数,根据扫描电子束焊机的热源特点和实际工作环境,选择高斯热源模型,考虑热物性参数变化和表面热辐射的影响,以潜热为耦合变量,建立了三维瞬态连续移动电子束相变硬化过程中温度场-组织场双向耦合的模型;基于 Matlab二次开发,运用 COMSOL软件,求解了耦合模型,得到了相变硬化过程中温度场、组织场的分布规律;利用耦合模型研究了组织转变潜热对温度场的影响,计算了不同硬化深度下的奥氏体化开始转变温度,进而确定了一种简单界定硬化区尺寸的方法;分析了电子束工艺参数对硬化区尺寸的影响规律;采用扫描电镜、金相显微镜、显微硬度计等方法,通过相应电子束表面强化实验,对硬化区横截面形状尺寸、组织分布、硬度等进行了分析,并将实验结果与模拟结果进行了对比。　　研究结果表明:连续移动电子束作用下的高温区温度等值线呈椭球状,表面最高温度滞后于束流中心,且处理后硬化层横截面呈中间厚两端薄的抛物线状;同次扫描中,下束端表面最高温度比中间低,收束端最高温度比中间高,甚至出现收束端融化现象,而中间最高温度和硬化尺寸均维持在一个稳定值;硬化过程中,材料表面加热速度可高达3.2×103 K/s,降温速度高达1.6×103 K/s;硬化区冷却过程中,仅发生马氏体相变,最低冷却速率可达860 K/s;相变硬化处理后,马氏体体积分数等值线呈抛物线状,根据奥氏体化程度硬化区可分为完全相变硬化区、不完全相变硬化区和基体三部分;硬化过程中,越靠近束流中心,温升速率越大,奥氏体开始转变温度越高,可高达1085~1300 K,远高于普通等温转变温度1000 K;考虑潜热下硬化区温度场最高温度比不考虑潜热时低32 K,而在冷却过程中则高13 K;45钢电子束相变硬化过程中,可以取1123 K作为简单界定相变硬化区形状尺寸的临界温度(Ac1线);硬化处理后,横截面上硬度等高线呈抛物线分布,硬度最大值不在束流扫描中心,而在完全相变硬化区与不完全相变硬化区交界处附近,且硬化边界上的硬度梯度大;在固态相变条件下,硬化区的宽度和深度随着扫描功率的增加呈非线性增加,随着扫描速度的增加呈非线性减小;所建双向耦合模型的两场模拟结果与实验结果一致,对相变硬化区尺寸的预测结果与实验结果相吻合。