合金钢热处理空冷过程分析.docx

1、合金钢热处理空冷过程分析摘要：40Cr钢是我国的标准钢号，因其在调质处理后具有较高的综合力学性能、低的缺口敏感性和较高的低温冲击韧性，因此在机械制造业得到广泛的应用。本课题对40Cr钢进行试验研究，分析热处理前后材料组织和力学性能的改变，测定热处理前后材料硬度、塑性的变化，并进行材料的金相组织分析，为改善40Cr钢的力学性能提供理论依据；另外利用ANSYS有限元分析软件进行模拟，通过建立有限元模型，模拟合金钢热处理空冷过程温度场随时间的变化，对模拟的结果进行分析。分析40Cr钢热处理空冷后组织和力学性能的变化，并与合金钢油淬后的组织和力学性能进行比较，结果表明：采用油冷时，合金钢具有较好的塑性

2、和硬度；采用空冷时，具有较好的塑性但硬度不高。关键词：40Cr，力学性能，热处理，数值模拟Analysis of heat treated alloy steel air cooling processAbstract：40Cr steel is a standard steel in China, because of the low temperature impact toughness has better comprehensive mechanical in quenched after the performance, lower notch sensitivity and hi

3、gh, so they are widely used in machinery manufacturing industry.本课题对40Cr钢进行试验研究，分析热处理前后材料组织和力学性能的改变，测定热处理前后材料硬度、塑性的变化，并进行材料的金相组织分析，为改善40Cr钢的力学性能提供理论依据；另外利用ANSYS有限元分析软件进行模拟，通过建立有限元模型，模拟合金钢热处理空冷过程温度场随时间的变化，对模拟的结果进行分析。分析40Cr钢热处理空冷后组织和力学性能的变化，并与合金钢油淬后的组织和力学性能进行比较，结果表明：采用油冷时，合金钢具有较好的塑性和硬度；采用空冷时，具有较好的塑性但硬

4、度不高。The experimental study on 40Cr steel, analysis and mechanical properties before and after heat treatment microstructure change, were measured before and after heat treatment the hardness of the material, plastic changes, and analyze the microstructure of materials, and provide a theoretical basi

5、s for improving the mechanical properties of 40Cr steel; in addition using the ANSYS finite element analysis software to simulate, through the finite element model is established to simulate the alloy steel heat treatment, air cooling process the temperature field changes with time, the results of s

6、imulation are analyzed. Analysis of the changes of the performance of air and mechanical cold tissue after heat treatment of 40Cr steel, and compared, and the mechanical alloy steel after oil quenching and organizational performance results show that: the oil cooling, the alloy steel has good plasti

7、city and hardness; the air cooling, has better plasticity but the hardness is not high.关键词：40Cr，力学性能，热处理，数值模拟Keywords: 40Cr, mechanical properties, heat treatment, numerical simulation目 录1 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 要解决的问题和拟采用的手段21.3 研究概况31.3.1 我国热处理技术的发展史31.3.2 国内外金属热处理技术概况31.3.3热处理计算机模拟的应用与发展42 数值模拟试验52.

8、1 ANSYS软件的介绍52.1.1概述52.1.2 ANSYS特点及应用领域52.2 模拟方案的确定62.3 试验内容62.3.1 建立工作文件名和工作标题62.3.2 定义单元类型72.3.3 定义材料性能参数72.3.4 创建几何模型82.3.5 加载求解102.3.6 查看求解结果及分析133 热处理实验213.1 40Cr钢实验前分析213.1.1 40Cr钢的简介213.1.2 40Cr热处理工艺特性介绍223.1.3 40Cr热处理工艺的制定223.2 热处理实验内容223.2.1 实验仪器及目的223.2.2 正火工艺234 组织及力学性能试验244.1 硬度试验244.1.1

9、 硬度概况244.1.2 布氏硬度试验244.1.3 洛氏硬度试验254.2 金相组织试验274.2.1 金相试样的制备274.2.2 金相组织观察与分析284.3 拉伸试验294.3.1 拉伸试验概况294.3.2 拉伸试验内容294.4小结与补充32结论34参考文献35致谢37III1 绪论1.1 研究的目的和意义工业用钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。工业用钢的碳素钢，由于价格低廉，便于冶炼，用以加工，且通过含碳量的增减和不同的热处理可使其性能得到改善，因此能满足很多次生产上的需要，至今仍是应用最广泛的钢铁材料。但是现代科学技术的发展，对钢

10、铁的性能提出了越来越高的要求，即使采用各种强化途径，如热处理、塑性变形等，碳钢的性能在很多方面仍然不能满足要求。现代工业的发展对钢材提出了许多特殊性能要求，例如化工部门要求钢材具有耐酸不锈性能，仪表工业要求材料具有特殊的电磁性能，汽车机制造部门则要求钢材具有良好的高温强度等，这些特殊的物理化学性能只有采用合金钢才能满足。在铁碳的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的以铁为基的合金即为合金钢。正确地认识并使用合金钢，才能使用其发挥出最佳效果。热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内

11、部结构，以改善其性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又可分为预备热处理和最终热处理1。合金钢热处理及空冷过程温度场分布要考虑热分析，而热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。在实际生产中，常常会遇到各种各样的热量传递问题，包括热传递、热流密度、热应力、相变、温度分布等这些

12、参数的确定。目前常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法离散单元法和有限差分法，其中有限元法是应用最广泛的。ANSYS软件就是以有限元法为载体的2。ANSYS软件的热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及与热有关的耦合场分析3。淬火冷却过程属于热分析中的瞬态分析。在淬火过程中，零件各部分在冷却过程中温度分布和组织转变是不均匀的，最终在零件内部形成热应力和相变应力，直接影响零件的机械性能和使用寿命。甚至在使用过程中产生变形和开裂。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。淬火过程温度分布的传统方法是依靠试

13、验测定和经验判断，不能准确分析和预测淬火过程的温度场4。计算机模拟可将热处理过程动态的、逼真的模拟，ANSYS软件具有友好的用户接口，强大的分析功能，特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟。可快速准速地获得钢件淬火过程降温历程、温度分布5。研究合金钢空冷过程对组织和性能的影响，通过改变合金钢的奥氏体温度和热处理时间来改变合金钢的硬度和韧性，采用空冷时，具有较好的韧性但硬度不高，通过改变条件来提高合金钢的各项性能，再结合需要零部件的生产要求，使合金钢的强韧性达到良好的配合，从而提高生产合金钢的质量和效率。此次设计研究首先从知识上我们掌握了合金钢空冷的过程分析的相关知识，包括合金钢空冷组织性能的

14、变化以及有限元分析软件的使用，软件中各种曲线相图的解析，同时也巩固了以前学过的课本的相关专业知识；其次此次设计研究意义重大，从中锻炼了自己解决问题的能力和自学能力，使自己的综合能力素质得到了全面提高。1.2 要解决的问题和拟采用的手段本课题要研究的问题和拟采用的手段有对40Cr钢的分类编号等进行了解，可以通过查阅金属学与热处理相关书籍来了解40Cr材料的相关内容；了解ANSYS软件并学习ANSYS软件的相关操作，学习了ANSYS软件后可通过建立有限元模型来模拟合金钢热处理空冷过程中温度场的分布，并观察它随时间变化的关系，从而得出结果；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的变化，可以通过在热处理试

15、验前对40Cr材料的布氏硬度和洛氏硬度进行测量，包括冲击试样和拉伸试样的硬度测量，并且对拉伸试样和冲击试样做拉伸和冲击试验，然后对拉伸试样和冲击试样进行热处理，热处理包括对拉伸和冲击试样的尺寸、加热温度、保温时间以及热处理工艺路线的确定，这些可以通过查阅文献和相关公式表格来确定，热处理试验做完后同样对其热处理后的拉伸试样和冲击试样做拉伸和冲击试验，得出试验结果，观察热处理后试样的组织与力学性能并与热处理前试样的组织及力学性能做比较，记录试验前后组织及力学性能的变化；与合金钢油淬后的组织及力学性能的比较，可以根据以上同样的方法，观察合金钢油淬试验前后的组织及力学性能的变化，记录下数据通过比较得出结论。1.3 研究概况1.3.1 我国热处理技术的发展史我国热处理企业起源于50年代初前苏联援建的156项企业，其中机械制造厂都设有热处理车间和工段。购买了大批苏制热处理设备，并相应建立了第一批按苏联图样生产设备的电炉厂。一些高等工科学校经过院系调整后，创建了包括在机械制造工艺系中的热处理专业，于1951-1956年培养出了第一批专科和本科热处理专业的毕业生。50年代末和60年代初从前苏联学习归来一批热处理专业的留学生，还陆续建立了一些科研机构和大专院校，基本上能按照材料和应