1、本科毕业论文（20 届）45 钢热处理过程温度场的数值模拟所在学院专业班级 材料成型及控制工程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： 45 钢热处理过程温度场的数值模拟 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 45钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉 45 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，通过毕业设计为优化热处理工艺提高零件质量
2、提供一定的理论依据。2主要任务（1）制定 45 钢热处理工艺。（2）模拟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）模拟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 45 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
3、的数值模拟J. 新技术新工艺，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I45 钢热处理过程温度场的数值模拟摘 要：本论文中 45 钢的热处理工艺是通过复习金属学与热处理一书中钢的热
4、处理原理来制定的，并借助 ANSYS 有限元软件建立轴对称模型，对其施加温度载荷来模拟计算热处理过程中某些时刻温度场的分布以及某些特定位置温度随时间的变化关系。结果表明：热处理加热过程开始时，圆柱体侧面的升温速度最快，中心处升温速度最慢，其余位置的速度介于二者之间，工件整体升温速度随着时间的增加逐渐下降；热处理冷却过程开始时，圆柱体侧面的降温速度最快，中心处最慢，其余位置的速度介于二者之间，另外，刚开始工件整体降温速度较快，随着时间的增加，工件整体降温速度逐渐下降。整个热处理过程中，工件中心和侧面的温度差随时间的增加而减少。关键词：有限元法，45 钢 ,热处理 ,温度场The heat tre
5、atment of 45 steels temperature field simulationAbstract：In this essay, 45 steel heat treatment process is through the review,author of sinosteel metallography and heat treatment of heat treatment principle to develop, with ANSYS finite element software axisymmetric model was established, and apply
6、to simulation calculation at some point in the heat-treating process, distribution of the temperature field and certain position of temperature with time relationship. The results show that the heating temperature of the side face is the fastest and the center temperature is the slowest and the othe
7、r position is between the two, the temperature of the workpiece increases gradually with the increase of time.Heat treatment cooling process, the outer surface of the fastest cooling, the center is the slowest, the rest of the speed between the two,moreover, the overall cooling rate of the workpiece
8、 is relatively fast, and the overall cooling rate of the workpiece decreases gradually with the increase of time. Throughout the heat treatment, the temperature difference of the workpiece center and the side face decreases with the increase of time. Keywords: Finite element simulation，45steel，Heat
9、treatment, Temperature field simulationII目 录1 前言 .11.1 研究目的及意义 .11.2 国内外研究进展 .31.3 研究的内容及方法 .42 数值模拟技术的概述 .52.1 ANSYS 软件的基本原理 .62.2 热处理温度场数值模拟的基本理论 .73 有限元模拟过程 .93.1 45 钢的热处理工艺 .93.2 有限元建模 .93.2.1 热物性参数的选择 .103.2.2 网格划分 .103.3 ANSYS 模拟过程 .113.3.1 建模 .113.3.2 定义材料热物性参数 .113.4 加载求解阶段 .123.5 结果及分析 .123
10、.5.1 正火过程 .123.5.2 淬火过程 .163.5.3 回火过程 .203.5.4 对各点温度随时间变化的曲线图分析 .244 结论 .30参考文献 .31致 谢 .3211 前言材料不仅是人类赖以生存和发展的物质基础，而且是社会发展和进步的标志。根据制造工具生产的材料历史学家将人类生活分为石器时代、青铜时代和铁器时代。到 20 世纪 70 年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱，80 年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活休戚相关。现今材料的品种、数量和质量已经是衡量一
11、个国家科学技术和国民经济水平及国防力量的最重要的因素，其中钢铁材料占据尤为重要的地位。钢一直从铁器时代沿用至今，其在工业发展中有巨大的重要性。钢材是合金机构材料中尤其重要，45 钢是使用最频繁的钢材之一，由于其综合性能较好，机械、医疗和日常生活等各个领域广泛使用，尤其是在机械制造方面，广泛用于各种重要的结构零件，比如那些在交变负荷下使用的连杆、螺栓、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等。因此，研究钢的热处理对改进钢的性能有着积极重要的作用和意义，钢材热处理方面的探索和前进定会促进社会的进步以及推动 21 世纪全球高速发展的步伐，必将引领一场空前绝后的工业大潮。1.1 研究目的及意义热处理是将金属材料放
12、在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或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 1。热处理工艺有时只有加热和冷却两个过程，加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，后来应用液体和气体燃料。电的应用不仅使加热易于控制，且不会对环境造成污染。利用这些热源可以直接进行加热，也可以通过熔融的盐或金属，借助浮动粒子进行间接加热。 金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能会产生很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或熔融盐中、保护气氛中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加
13、热。 2加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要标志。加热温度因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。另外转变需要一段的时间，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。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般不需要保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长 2。 冷却也是热处理工艺过程中必不可少的步骤，因制定的热处理工艺不同冷却方法也会不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度最快，淬火的冷却速
14、度更快。热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一，它不仅能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，而且还可以改善工件的工艺性能，提高加工质量，减少刀具磨损。为了体现 45 钢最佳的综合性能，必须制定合理的热处理工艺。常用的热处理工艺主要有正火、淬火、回火等，影响其热处理工艺的因素主要有加热温度、保温时间、冷却速度等。45 钢既是中碳结构钢，又是优质碳素结构用钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用 2。但其硬度不高，易切削加工，模具中常用来做模板、梢子、导柱等，但是机加工前必须
15、预先经过热处理 3。但其强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等 4。水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火；焊接性差 5。45 钢在淬火后没有回火前，硬度大于 HRC55（最高可达 HRC62）为合格。GB/T699-1999 标准规定 45 钢抗拉强度为600Mpa,屈服强度为355MPa ，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J。45 钢的化学成分及不同国家的 45 钢钢号如表 1.1 和表 1.2 所示。表 1.1 45 钢的化学成分元素
16、 C Mn S P Si含量 0.40.5 0.50.8 0.45 0.45 0.170.37表 1.2 不同国家对 45 钢钢号的表示中国 前苏联 美国 英国 日本 法国 德国 3GB ASTM BS JIS NF DIN45 45 1045 080M46 S45C XC45 C45， CK451.2 国内外研究进展近年来，钢制零件的表面热处理,大多采用传统的高频或中频感应加热淬火。之后一般还要进行磨削加工,以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。多年来，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外
17、，节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。建国以来，我国的热处理技术也有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，热处理加热设备十万多台，年生产能力 660 多万吨钢件，年产值约 50 亿元 6。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理设备和实际生产水平方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。1999 年，尤显卿教授综合论述了如何正确制定 45 钢热处理工艺，防止淬火开裂7。45 钢件在淬火处理时，易出现淬裂现象；2003 年，夏立红、耿长栓通过研
18、究表明：45 钢件在 8308501.1 minmml. 2 minmm 的加热和保温条件下，淬入清水或 10的盐水中易出现裂纹；而采取加大工艺预留量(13 mm14mm)、避开危险尺寸(4 mm12mm)、低温( 750760)淬火、控制加热温度(780790)以及保温时间和回火时间等措施，可有效防止 45 钢件淬火时出现裂纹现象 1。2004 年，太钢六轧厂的刘爱国、李杰工程师通过对优质碳素钢 45 钢球化退火工艺的分析和研究，找出影响 45 钢球化的主要因素，改进了退火工艺，提高了45 钢球化合格率，满足了用户需求 8。这年期间邓楚平通过对 45 钢、40Cr 钢调质热处理新工艺研究试验
19、发现，经过新工艺处理后的工具综合性能与传统工艺处理的大体相当，但新工艺具有缩短保温时间，节约能源，降低生产成本，并改善工具表面耐磨性和内部组织性能等优点 9。2007 年边晋荣工程师就 45 钢热处理淬火裂纹控制 10进行了研究实验，对淬火裂纹产生的原因以及处理方案等进行分析和改进，认为在生产过程中要灵活运用，具体问题具体分析。同年上海交通大学的徐祖耀院士就近年来发展的钢的热处理新工艺-淬火和分配（Q-P）处理为基础，提出淬火-分配4-回火（Q-P-T）工艺 11。2012 年，赵琳工程师通过实验分析 45 钢短轴得出通过正火、淬火、中温回火等热处理工艺，改变了 45 钢的内部组织，从而改变其
20、性能，使材料具有了优良的综合机械性能和良好的切削加工性能 2，不仅改变了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了较高的韧性，满足使用要求。另外 2013 年，在工艺性能研究方面，刘孜文在对 45 钢的热处理研究中通过对组织与性能研究认为热处理方式不同对应组织也不相同，性能也随之变化 12。2014 年，在淬火工艺过程中，裴广州副工程师研究了 45 钢的热处理工艺，通过亚淬火降低钢的脆性转变温度，可以相应地抑制钢的可逆回火脆性 13。另外与普通 45 钢淬火相比，亚淬火更能较好的提高钢的力学性能。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热
21、处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”。加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。1.3 研究的内容及方法1、查阅相关文献和复习金属学与热处理一书，掌握钢的热处理原理，为 45钢制定适当的热处理工艺。2、学习ANSYS10.0 自学手册 ，了解 ANSYS 软件，熟悉该软件的基本操作，掌握 ANSYS 软件计算热处理过程温度场的方法。3、根据所制定的 45 钢热处理工艺，用 ANSYS 软件模拟计算钢件热处理过程不同时刻的温度场分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。4、对所得数据进行整理及分析。5、分析热处理过程温度场分布对 45 钢组织和力学性能的影响。
