45钢热处理加热过程对组织和性能的影响.doc

1、45钢热处理加热过程对组织和性能的影响摘要:ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中, 很好地结合了材料变温过程的热物性参数的变化,适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。热处理工艺通过改变钢的内部组织结构，使其钢的性能得以改善。热处理可分为加热、保温、冷却三个过程，其中加热温度和保温时间会影响晶粒的大小。本论文利用 ANSYS有限元分析软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟,分析工件的各个部分在热处理加热过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。根据ANSYS模拟出来的温度场分布，合理选择适当的加热温度和保温时间做热处理水淬实验，通

2、过金相组织的观察、硬度测试、拉伸测试实验等，我们得出加热过程会影响钢的显微组织，从而影响性能。结果表明，加热840保温15min会使45钢的性能达到极致。关键词：45钢，热处理，加热过程，温度场模拟heat treatment heating process impact on the organization and performance of 45 steel Abstract:ANSYS finite element software In the process in Simulation of Temperature Field,Well with the changes in t

3、he material constant temperature thermal parameters of the material,Especially suitable for accurate calculation of steel hardening process temperature field.Heat treatment process by changing the internal organizational structure of steel,Performance can be improved to make steel. Heat treatment ca

4、n be divided into heating, insulation, cooling three processes, heating temperature and time will affect the size of the grains.In the paper, by using ANSYS finite element analysis software for complex geometry of 45 steel parts during quenching temperature field finite element simulation, analysis

5、of the various parts of the workpiece in the heat treatment temperature heating process changes, to optimize the heat treatment process, the workpiece by heat treatment after obtaining excellent performance to provide a basis. According ANSYS simulated temperature distribution, reasonable to select

6、the appropriate temperature and holding time doing heat treatment water quenching experiments, microstructure observation experiments,hardness test, tensile test, and we will come to the heating process affect the microstructure of steel, which could affect performance. From the experimental results

7、 we obtained, heating 840 for 15min will achieve the ultimate performance of 45 steel.Keyword:45steel，Heat Treatment，Heating process，Temperature field simulation目 录1 前言11.1 45的热处理现状及应用11.2 ANSYS软件概述12 ANSYS有限元分析32.1 ANSYS有限元模拟过程32.1.1 前处理阶段42.1.2 加载求解阶段52.2 结果分析52.2.1 对各时间点温度分布图的分析52.2.2 对各点温度随时间变化的

8、曲线图分析82.3 本章小结113 45钢的热处理工艺参数的确定123.1 钢的分类及编号123.2 45钢的化学成分及组织性能133.3 热处理工艺参数的选择133.3.1 不同加热温度的选择173.3.2 不同保温时间的选择183.4 本章小结184 45钢热处理实验研究194.1 热处理实验的研究方案194.1.1 实验设备194.1.2 实验材料194.1.3 实验步骤194.2 实验结果与分析204.2.1 金相组织204.2.1 洛氏硬度254.2.3 拉伸实验264.3 本章小结29II结论30参考文献31致谢33III1 前言1.1 45钢的热处理现状及应用钢一直从铁器时代沿用

9、至今，它具有悠久的历史，并且推动了社会的大跨步发展，在工业发展中尤为重要。45钢是最常使用的钢材之一，由于其综合力学性能较好，广泛用于机械、医疗和生活等各个领域，同时良好的切削加工性能使它通常在调质或正火状态下使用，它具有高的强度和塑性，经调质成索氏体时，在一定程度上的韧性增强。多年来，这一钢种虽然已积累有丰富的生产与应用的经验，但在实际生产中，仍会出现许多使用不当之处，结果没有充分发挥该钢所具有的性能潜力，造成大量浪费。其中，因热处理工艺的制订及操作不合理而引起工件开裂是一种常见现象1。为使45钢具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺加热温度与保

10、温时间的合理选择也是重中之重。在淬火加热过程中, 如果零件内部温度分布不均匀, 组织转变过程不均匀会导致热应力和相变应力,这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命2。如果热处理不当,将会造成零件组织性能达不到预定要求, 甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明, 淬火加热过程是热处理工艺中非常重要的环节。确定淬火加热过程零件材料内部的温度随时间的分布规律，进而能评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据3。准确描述工件温度场分布传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程, 受多种因素影响, 而各影

11、响因素之间又相互作用、相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场分布。然而计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来, 实现动态的、逼真的模拟4。 1.2 ANSYS软件概述随着计算机技术的发展，很多有限元分析软件得到普及，其中最普遍的ANSYS准确性较高，实用性较强，得到很多方面的使用。ANSYS软件是国际上第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件5。它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可应用于航空航天、土木建筑、机械、能源、交通运输、电子生物、医学、教学、科研等相关领域。ANSYS用于计算一个系统或

12、部件的温度分布以及其他热物理参数，ANSYS/Multiphysic、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED等产品中包含热分析功能，其中ANSYS/FLOTRAN不包含相变热分析。热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。其目的是分析一个系统或某些部件的温度场分布和某些其它热物理量参数，如热量的得失、热量梯度、热流的密度（热通量）等，热分析对于很多生产和研究都非常重要。ANSYS进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元 ( 包含若干节点) ,然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每

13、一节点处的热平衡方程, 由此计算出各节点温度, 继而进一步求解出其他相关量6。ANSYS作为有限元分析软件在热分析方面具有强大的功能3。ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中, 很好地结合了材料变温过程的热物性参数的变化,特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算。模拟过程对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据,同时为淬火过程中的热应力、残余应力计算提供了温度边界条件5。ANSYS有限元计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来, 实现动态的、逼真的模拟。无论是针对外形规则、对称的零件如轴、板等；还是对于外形过于复杂的零件, 都可以轻而易举的完成。ANSYS模拟不仅

14、可以真实的描述零件的几何形状和边界条件,而且还能成功地处理一些非线性初边值问题, 通过友好的用户接口, 可很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布, 因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟7。ANSYS10.0热分析分类，主要有两大类： 稳态传热：稳态热传递，根据热分析遵循热力学第一定律，输入的能量-输出的能量=0。热能流动不随时间变化，系统的温度和热载荷也都不随时间变化。 瞬态传热：系统受随时间变化的载荷或边界条件的影响。2 ANSYS有限元分析利用ANSYS软件的热分析模块对试件淬火过程进行数学模型分析，并通过建模划分网格、加载及求解,得到了试件在淬火过程中不同时刻的温度场分

15、布以及在某一时刻试件不同关键点的温度变化趋势。热分析中基本符号及国际单位见表2.1所示。表2.1 热分析基础单位项目国际单位ANSYS代号长度m时间s质量Kg温度力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m生热速率W/m导热系数W/m-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH2.1 ANSYS有限元模拟过程某一圆柱体零件，将其由室温25加热到840，用ANSYS软件模拟不同时间圆柱体内温度场分布以及在不同的关键点处温度随时间的变化2。 2.1.1 前处理阶段(1)建模设圆柱体底面半径R=8mm,高h=12mm。由于该45钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，故我们可以取该圆柱的一旋转面，建立一个二维模