1、本科毕业论文（20 届）合金钢热处理油冷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： 合金钢热处理油冷过程温度场分析_ 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，了解合金钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉合金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论依据。
2、2主要任务（1）制定合金钢热处理工艺。（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）计算热处理油冷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合金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. 新技术新工艺，2008
3、， （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 1 日I合金钢热处理油冷过程温度场分析摘 要：利用 ANSYS 软件建立轴对称有限元模型，通过热分析模块对合金钢
4、淬火过程进行建模、划分网格、加载及求解，得到该钢件在淬火过程不同时刻的温度场以及钢件上所选取特殊点的温度场随时间变化的分布，同时了解到温度随时间的变换关系；油冷过程中零件不同部位存在着较大的温度差，其中在零件的心部区域温度下降速度最小，数值模拟的结果符合生产实际。在淬火油冷过程中随时间的延长，零件温度迅速降低，而零件各部分温度下降速率不同。零件不同部位的温度差异是产生淬火残余应力及由此导致零件变形、开裂报废的主要原因。关键词：合金钢，温度场，有限元模拟，热处理Alloy steel heat treatment process of oil cooling temperature field
5、analysisAbstract：Axisymmetric finite element model is established by using ANSYS software, through the thermal analysis module of steel quenching process modeling, mesh, loading and solving, get the steel in the temperature field of quenching process of different time and the selected special point
6、on the steel, the distribution of temperature field changing with time and understand the transformation relationship of temperature with time, In the process of the oil cooling parts exist in different parts of a larger temperature difference, which in part of the core area of minimum temperature d
7、rop rate, the numerical simulation results accord with actual production. In the process of quenching oil cooling with the extension of time, the parts quickly reduce the temperature, the component temperature drop rate of each part is different. Temperature difference from different parts of the pa
8、rts is the quenching residual stress and the main reason of leading to parts of shape, craze scrap.Keywords: Alloy steel, temperature field, the finite element simulation of heat treatmentII目 录1 绪论 .11.1 课题提出的目的及意义 .11.2 国内外研究进展 .21.3 研究的主要内容及研究手段 .31.3.1 研究内容 .31.3.2 研究手段 .32 热处理工艺制定 .42.1 40Cr 材料简
9、介 .42.2 调质钢热处理工艺 .52.2.1 预备热处理 .62.2.2 最终热处理 .62.3 40Cr 淬火工艺的制定 .62.3.1 加热温度 .62.3.2 加热时间 .72.3.3 冷却介质 .72.3.4 淬火工艺曲线图 .83 ANSYS 有限元软件 .93.1 ANSYS 简介 .93.2 ANSYS 主要模块介绍 .103.3 ANSYS 有限元分析流程 .113.4 淬火冷却过程数学模型 .113.4.1 热传导方程的建立 .113.4.2 初始条件 .123.4.3 边界条件 .134 基于 ANSYA 的淬火温度场的数值模拟 .154.1 定义单元类型 .154.2
10、 单元的材料特性 .164.3 建立模型 .184.4 网格划分 .20III4.5 定义边界条件 .214.6 求解及结果分析 .224.6.1 油冷过程某些时刻温度场分析 .224.6.2 油冷过程某些特定位置温度随时间变化曲线图 .274.6.3 模拟结果分析 .295 总结 .315.1 论文撰写过程总结 .315.2 课题研究得出结论 .315.3 展望 .31参考文献 .33致 谢 .3511 绪论1.1 课题提出的目的及意义合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素以外，还含有其他的合金元素（如铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆等）。根据合金元素含量的高低可以分为低
11、合金钢、中合金钢、高合金钢三种；根据钢中所含主要合金元素的种类不同也可分为锰钢、锘钢、锘镍钢、硼钢等 1。由于合金钢中含有不同种类和数量的合金元素，在采取适当的工艺措施的情况下，即可分别具有相对较高的强度、韧性、淬透性、耐磨性、耐蚀性、耐低温性、耐热性、热强性、红硬性等特殊性能。目前在国际上使用的合金钢钢号有上千个，数万个规格，其产量约占每年钢总产量的百分之十，是国民经济建设和国防建设中大量使用的重要金属材料。热处理是将金属材料放在一定的介质中加热、保温、冷却，通过改变材料表面或者内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺 2。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比
12、而言，热处理工艺一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的组织结构，或者改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。通过恰当的热处理工艺，不仅可以提高钢的使用性能、改善钢的工艺性能，而且能够充分发挥材料的性能潜力，提高产品的产量和质量，提高经济效益 1。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却这三个过程，这些过程相互衔接，不可间断。加热是热处理的基本工序之一。利用加热源可以直接对材料进行加热，也可以通过介质进行间接加热。金属加热时，在高温下可能与工件表面发生化学反应而改变表层成分，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因此金属通常应在可控气体或保护气体中、熔融盐中或真空
13、中加热，也可运用涂料或者包装方法进行保护加热。另外，热处理加热温度和保温时间是热处理各种工艺方法的最主要工艺参数之一，是确保热处理质量的关键因素 3。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。由于成分不同或热处理目的不同，加热温度和保温时间2的确定要根据合金成分和热处理目的视情况而定。加热温度通常根据热处理的目的和平衡相图确定，而保温时间往往根据试验和经验确定 4。冷却也是热处理工艺过程中重要的
14、步骤之一，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如对于一些高合金钢而言，空气冷却已超过其临界冷却速度，属于淬火而非正火 5。1.2 国内外研究进展随着大型通用商业有限元软件如 ANSYS、MSC、MARC 等的普及，计算机软硬件水平的提高, 应用进行热分析研究的工作也越来越深入 6。目前应用较好的领域有石油化工、钢铁冶金、机械制造等科学研究领域。而钢铁行业投资大, 工艺复杂, 进行有限元模拟分析尤为重要。史晓鸣利用结构有限元软件 MSC Patran 和 MSC Nastran 对持续加热环
15、境下的结构的瞬态温度场分布及固有模态变化进行分析，得出相对于简单的结构模型，升温会导致材料弹性模量在受热后固有频率呈现下降趋势，但如果继续加热，温度场会趋于均匀，则结构的固有频率会缓慢回升 7。唐六丁等采用有限元分析软件 MSC.Superform 对连杆热模锻全过程进行了非线性、大变形热机械耦合分析，并在此基础上对所计算的模具寿命进行了预测，其结果是与实际情况基本一致，为进一步研究不同工况下的热模锻成形控制和终锻成形模具结构设计提供了理论依据 8。孔祥伟等采用有限元分析软件 ANSYS 对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟, 在模拟过程中,动态分析了热轧时工作辊的升温过程, 预测了工作辊的瞬态
16、温度分布, 并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中, 其计算结果与文献结果相吻合 9。赵永忠等利用有限元分析软件对中厚板轧后控冷过程进行了有限元模拟, 得到了钢板在水冷条件下的温降曲线及瞬态温度场分布, 为制定合理的控冷工艺提供了有力的指导作用 10。杨庆祥等采用 ANSYS 计算软件 , 模拟了堆焊过程中温度场和残余应力场的分布, 在模拟中考虑了马氏体相变、杨氏模量及其它参数对计算结果的影响, 3并将计算值与残余应力场的测量值进行了比较 11。结果表明, 残余应力场的计算结果与实测结果吻合较好。朱援祥等利用 ANSYS 有限元软件以 BHW35 钢补焊为例进行数值模拟, 给出了有限元的实现
17、过程 12。并根据应力分布情况, 得到一些结论, 焊缝中心的残余应力变化不大而热影响区存在较高的残余拉应力, 且在同一位置, 随着修复次数的增加, 应力值逐步提高。1.3 研究的主要内容及研究手段1.3.1 研究内容本文研究合金钢热处理油冷过程温度场某些时刻温度场的分布，以及某些特定位置温度场变化随时间的变化关系。以 40Cr 淬火过程温度场数值模拟为例。（1）制定合金钢热处理工艺。（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）计算热处理油冷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合金钢组织和力学性能的影响。1.3.2 研究手段本文用有限元软件 ANSYS 模拟合金钢热处理油冷过程中三维温度场的变化，模拟计算合金钢热处理油冷过程某些时刻温度场的分布，和热处理油冷过程某些特定位置温度场变化随时间的变化关系，分析热处理油冷过程温度场分布对合金钢组织和力学性能的影响。计算时综合考虑非线性的材料热物性参数、界面换热系数及相变潜热的影响。通过对油冷时计算硬度与实测淬火试样硬度分布的比较，表明模拟结果与实际情况较为符合。
