本论文首先运用非线性有限元方法计算了钢铁淬火冷却过程中水溶液冷却介质的温度场。依据计算得到的介质温度分布云图和温度随时间的变化规律,利用分子动力学方法研究了水溶液冷却介质在淬火冷却过程中的微观运动规律。最后通过钢试件在水介质中的淬火实验验证计算结果。根据热传导原理建立非线性有限元计算模型,确定了模拟计算中的分析单元、网格划分、边界条件以及材料温度依赖性等问题的处理方法,给出了钢试件淬火冷却过程温度场数值模拟的基本过程。通过计算得到：淬火冷却开始阶段,钢试件中心的冷却速度较边部缓慢得多,随后试件各点处温度降低趋势接近；整个冷却过程中,试件中心与表面温度一直存在较大差距；对试件进行冷却的介质温度最高可达到618℃(即891K)以上,且该温度出现在冷却介质与试件接触的侧面。通过分析有限元计算得到的温度场,对淬火冷却过程中水溶液介质的物态变化进行了分子动力学模拟,纯水体系计算结果表明：当体系温度介于80℃-600℃时,室温下团聚的水分子被分散,容器内的物质处于气液共存态；当温度达到600℃时,水分子均匀地分布于盛装容器中,液态水被完全汽化；处于汽态的水分子接触到低温液态水时,水分子会像液态金属冷却结晶出现临界晶粒一样形成多个小的团簇；随着时间推移、温度的降低,小团簇慢慢长大,方盒的体积同步缩小,最后渐渐长大的团簇连在一起,汽态水冷凝为液态。根据有限元得到的温度场和水的分子动力学计算方法,文中对10wt%NaCl水溶液和PAG液进行了模拟计算,发现10wt%NaCl水溶液和PAG液的物态变化与水不完全相同,即：10wt%NaCl水溶液和PAG液在353K时同样会出现气态分子,但10wt%NaCl水溶液在其冷却过程中能达到的最高温度636℃时只有部分分子分布在模型的两端,是气液共存态；而PAG液则在723K时完全汽化。说明10wt%NaCl水溶液较纯水在淬火冷却过程中产生的汽泡少,意味着其中冷却蒸汽膜阶段短而在PAG液中淬火时蒸汽膜阶段不会缩短。结合实验发现：介质水接触到高温物体时瞬间被汽化,汽化的水大部分移到表面将热量散发到环境中,高温介质将少部分热量传给与其接触的液态介质。为验证计算结果进行了钢试件淬入水介质的实验。通过实验观察到,钢试件淬入冷却介质水的瞬间,表面即被一层完整的蒸汽膜包覆；接着蒸汽扰动引起膜厚度波动使试件局部与液态介质瞬时接触,此时液体内部的热起伏进一步加剧试件表面的汽膜破裂引发“爆炸”,试件局部进入沸腾阶段；随着冷却过程的推进,试件表面分布着不连续的小水珠,此时试件表面温度已较低,不足以汽化其接触到的水介质。这些现象证明了计算得到的与试件表面接触的室温水介质接触到高温试件的瞬间,温度迅速升高转变为汽态,离试件表面较远处的介质温度变化不大,相应的物态转变也不明显。