1、本科毕业论文（20 届）20 钢热处理正火过程温度场分析所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 20 钢热处理正火过程温度场分析 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解 20钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉 20 钢的热处理工艺方法；熟悉ANSYS 软件；掌握 ANSYS 软件计算热处理过程温度场的方法，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理
2、论依据。2主要任务（1）制定 20 钢热处理工艺。（2）计算热处理加热过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。（3）计算热处理冷却过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。（4）分析热处理过程温度场分布对 20 钢组织和力学性能的影响。（5）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1 赖宏，刘天模. 45 钢零件淬火过程温度场的 ansys 模拟J.重庆大学学报，2003，26（03）:82-84.2 朱圆圆，祁文军，易挺，等. 钢件淬火过程温度场的数值模拟J. 新技术
3、新工艺，2008， （11）：97-99.3 崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理M. 北京，机械工业出版社， 2007：230-3084进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 阅读文献，了解研究目的意义制定热处理工艺3 月 3 日3 月 23 日2 软件学习，完成加热过程温度场计算 3 月 24 日4 月 13 日3 完成冷却过程温度场计算 4 月 14 日5 月 4 日4 进行结果分析 5 月 5 日6 月 1 日5 完成撰写及答辩工作 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 2015 年 1 月 16 日20 钢热处理正火过程温度场分析摘 要 ：选取 20 钢为研究对象，利用 ANSYS 软
4、件建立有限元模型，通过热分析模块对 20 钢正火过程温度场分布进行了模拟计算。结果表明随着逐渐的冷却，零件的温度迅速降低，零件的各个点温度下降的速率不同，而且随着冷却的时间越长，温度也随之越来越低。在空冷刚开始的时候，温度下降的速度较快，中心降温过程中受零件其他部分的热影响大，下降速度慢。关键词：20 钢；温度场；ANSYS 模拟Thermal analysis of Steel 20s normalizing heat-treatmentAbstract：Select 20 steel as the research object, the finite element model is e
5、stablished by use of ANSYS software, and through the thermal analysis module of 20 steel normalizing process simulation on temperature field distribution. Results show that along with the gradually cooling, the temperature of the parts to reduce rapidly, each point temperature drop rate of different
6、 parts, and as the longer the cooling time, low temperature has been more and more. In air cooling in the beginning, the temperature drops faster, center by the rest of the parts in the process of cooling heat affected big, slow down. Keyword: steel 20；The temperature field；Ansys simulation目 录1 绪论 .
7、11.1 研究目的及意义 .11.2 国内外研究进展 .11.3 研究的主要内容 .21.4 研究方法 .32 20 钢热处理工艺 .42.1 20 钢概述 .42.2 热处理工艺的制定 .53 ANSYS 有限元软件 .83.1 简介 .83.1.1 热分析 .93.2 主要模块介绍 .93.3 有限元单元法概念 .124 基于 ansys 正火过程温度模拟 .134.1 温度场数学模型建立 .134.2 相关数据确定 .134.3 材料参数 .144.4 前处理 .154.5 施加载荷 .174.6 求解及分析结果 .174.6.1 正火过程某些时刻温度场分析 .174.6.2 空冷过程某
8、些特定点位置随时间变化曲线图 .204.7 模拟结果分析 .235 总结 .245.1 展望 .24参考文献 .25致谢 .2711 绪论1.1 研究的目的及意义20 号钢是含碳量为 0.2%的低碳钢，很少淬火，无回火脆性。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为 355-500MPa，伸长率24%，密度是 7.85。20 钢热处理是我国 18 个热处理厂新技术工艺推广项目之一，主要靠通过高温加热，快速冷却淬火得到低碳马氏体，该工艺具有较高的强度和硬度，良好的塑韧性，搞得
9、疲劳强度，良好的工艺性能，价格低，热处理操作简单 1。正火，又称常化，是将工件加热至 Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度)或 Acm(Acm 是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线以上 30-50，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是获得一定的硬度、细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能 2。低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。但是对有些碳的质量分数低于 0.20%的钢，即使按通常正火温度正火后，自由铁素体量仍过多，硬度过低，切削性能仍然较差。为了适当提高硬度，应提高加热温度（可比 Ac3高 100），以增大过冷奥氏
10、体的稳定性，而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体。计算热处理正火过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系，通过研究，让我更加了解 20 钢通过正火过程温度场分析的准确数据，更深的了解对 20 钢的认识。1.2 国内外的研究进展多年来 20 钢以其优良的性价比在石油化工等行业得到了更广泛的应用 3，但在大型构件的实际生产中，有焊接过程复杂的温度变化所引起的焊接变形和残余应力往往影响结构的使用寿命，因此，对温度场的研究一直受到普遍重视。随着计算机技术的发展，人们逐渐开始采用数值模拟的方法来分析温度场，但2目前基于 20 钢焊接温度场的分析大多集中于薄板焊接
11、接头。在 2003 年，李晋梅等人对 20 钢中厚板焊接过程温度场的数值模拟进行了分析 4，以 20 钢中厚板对接接头为研究对象，运用 ansys 有限元分析软件，建立了其多道焊焊接温度场的有限元模型，采用分布加载的方法对其焊接过程的温度场模拟，得到了 20 钢中厚板焊接过程中焊缝区的瞬态温度场以及个点的焊接热循环曲线；在 2005 年，傅敏士等人研究了正火处理对 20 钢内部裂纹愈合的影响 5，通过对含有内部裂纹的 20 钢试样采取一次加热正火和二次加热正火处理，探讨其内部裂纹愈合的可能性，得出的结论是愈合的程度主要取决于加热温度，而保温时间的影响相对较少；在 2007 年，董洁等人研究了
12、20 钢管道对埋弧自动焊接温度场模拟 6，采用有限元法，建立 20 钢管道对接焊接接头有限元计算模型，通过改变焊接电流调试能量输入，最终获得最佳焊接电流选取范围为 720-800A；李刚等人也研究 20 钢渗碳过程中温度场及应力场的数值模拟 7，利用 ansys 有限元分析软件对 20 钢渗碳过程中温度场和应力场进行述职模拟，得到了渗碳 60s 后的的温度场云图，将温度场模拟求得的节点温度作为体载荷施加到应力分析中，得到应力场的模拟结果，对模拟结果进行验证；赖宏等人研究了 45 钢件淬火过程温度场的 ansys 模拟 8，通过利用 ansys 有限元软件对 45 钢进行淬火过程温度场进行有限元
13、模拟，得到零件温度随淬火时间的分布关系。1.3 研究的主要内容主要研究的是 20 钢热处理正火过程温度场分析。1、计算热处理加热过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。2、计算热处理冷却过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。3、采用 ANSYS 软件来模拟此次数值。4、通过查阅资料了解 20 钢的概况，然后了解它的热处理原理和热处理工艺。5、熟悉它的热处理工艺的方法，学习软件 ANSYS，使用 ANSYS 软件通过有限元法计算各个节点温度，并到处其他物理参数。3通过最后得到的数据结果来分析热处理过程温度场分布对 20 钢组织和力学性能的影响。1.4 研
14、究方法在材料科学研究中，除去基础理论的研究和实验研究外，计算机模拟研究9已经成为解决材料科学中实际问题的第三种重要方法 10-11。随着计算机技术的发展，很多计算机模拟系统得到普及，我们所学的是其中的一种 ansys 软件，而且 ansys 软件是融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元软件。通过软件来模拟所需要的，不仅可以省去材料，而且也可以更加快速方便的得出自己所需要的结果，也可以很容易获得钢件热处理过程的动态图、温度分布以及它的一些性能，取得满意的结果。42 20 钢热处理工艺2.1 20 钢的概述20 号钢，含碳量为 0.2%，该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、深碳淬硬钢。该钢
15、强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为 253-500MPa，伸长率24%，密度是 7.85，无冲击韧度。强度比 15 号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。冷变形塑性高，一般供弯曲、压延用，为了获得好的深冲压延性能，板材应正火或高温回火；用于不经受很大应力而要求很大韧性的机械零件，如轴套、螺钉、杠杆轴、变速箱变速叉、齿轮、重型机械拉杆、钩环等，还可用于表面硬度高而心部强度要求不大的渗碳于氰
16、化零件。还可适用于制造汽车、拖拉机及一般机械制造业中制作不太重要的中小型渗碳碳氮共渗等零件，如汽车上的手刹蹄片、杠杆轴、变速箱速叉、传动被动齿轮及拖拉机上凸轮轴、悬挂平衡器轴、平衡器内外衬套等；在热轧或正火状态下用于制造受力不大，而要求韧性高的各种机械零件；在重、中型机械制造业中，如锻制或压制的拉杆、钩环、杠杆、套筒、夹具等。在汽轮机和锅炉制造业中多用于压力6N/平方，温度450的非腐蚀介质中工作的管子、法兰、联箱及各种紧固件；在铁路、机车车辆上用于制造十字头、活塞等铸件。20 号钢在正火状态屈服点为 245MPa,伸长率为25%;调质状态屈服点为280MPa,伸长率为22%广泛用于制作负载不大、韧性要求高的零件，如重型及通用机械中的锻压的拉杆、套筒、夹具及衬垫，一般机械及汽车、拖拉机中的中小型渗碳、氰化零件。如表 2.1 和表 2.2。
