1、本科毕业论文（20 届）60Si2Mn 弹簧钢热处理过程温度场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： 60Si2Mn 弹簧钢热处理过程温度场模拟 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60Si2Mn 钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉 60Si2Mn 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
2、优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2主要任务（1）制定 60Si2Mn 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 60Si2Mn 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 杨凌平. 60Si2Mn 的应用及热处理 J. 模具工程，2005，（6）：1-5.2 张建峰，王翠玲，吴玉萍，等. AN
3、SYS 有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004，（05）：9-13.3 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，（11）：97-99.4 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
4、2 日6 月 22 日审核人： 2015 年 1 月 16 日I60Si2Mn 弹簧钢热处理过程温度场模拟摘要：本文采用 ANSYS 有限元软件建立轴对称模型，研究了60Si2Mn 弹簧钢的热处理过程，得到淬火加热冷过程却以及回火加热冷却过程的温度场的分布图和某些特定位置温度随时间变化的曲线。结果表明，1.模拟热处理过程中，模拟的温度场以中心位置为圆心，呈同心圆分布。2.在温度场模拟时，设定了实际过程中的初始条件及边界条件,综合考虑了热物性参数等非线性因素的影响,大大减小了通用有限元软件处理淬火过程非线性问题时只能以常数代替所引起的模拟误差。3.圆柱体工件中心位置的吸收热和散热的速度不仅和材料
5、本身有关，主要和工件的底面半径及高度有关，半径越大，高度越高，吸收热和散热速度就越慢。关键词：60Si2Mn 弹簧钢，热处理，温度场,有限元模拟60Si2Mn spring steel heat treatment Temperatur field simulationAbstract: In this paper, ANSYS finite element software to establish axisymmetric model to study the 60Si2Mn spring steel heat treatment process to obtain quenching a
6、nd cooling process, but the process of heating and cooling distribution tempering temperature field and the location of certain temperature versus time curve.The results show,1. Analog heat treatment process, the simulation of the temperature field in the center position of a circle, a concentric di
7、stribution.2. When the temperature field simulation, the actual process of setting the initial conditions and boundary conditions, considering the impact of thermal parameters of nonlinear factors, greatly reduces the processing finite element software nonlinear problems only when the quenching proc
8、essIt can simulate error caused by a constant substitute.3. The cylindrical workpiece center position to absorb heat and cooling speed and the material itself is not only related to the main and the bottom surface of the workpiece radius and height, and the larger the radius, the higher the altitude
9、, absorbing heat and cooling the slower.Keywords:60Si2Mn spring steel, Heat treatment,The temperature field ，Finite element simulationII目 录1 绪论 .11.1 研究的目地及意义 .11.2 国内外研究进展 .11.3 研究内容 .21.4 研究方法 .32 ANSYS 软件概述 .42.1 ANSYS 热分析的基本原理 .52.2 ANSYS 热分析的单位 .52.3 热方式的传递 .62.4 ANSYS 热分析分类 .62.5 ANSYS 热分析功能 .
10、63 有限元模拟 .73.1 淬火加热过程模拟 .73.1.1 有限元建模 .73.1.2 模拟过程 .83.1.3 结果与分析 .133.2 淬火冷却过程模拟 .143.2.1 有限元建模见 3.1.1.143.2.2 模拟过程 .143.2.3 结果与分析 .193.3 回火加热过程模拟 .193.3.1 有限元建模见 3.1.1.193.3.2 模拟过程 .193.3.3 结果与分析 .243.4 回火冷却过程模拟 .253.4.1 有限元建模见 3.1.1.253.4.2 模拟过程 .25III3.4.3 结果与分析 .294 结论 .31参考文献 .32致 谢 .3311 绪论1.1
11、 研究的目地及意义钢一直从铁器时代沿用至今，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。60Si2Mn 弹簧钢是最常使用的钢材之一，含碳质量分数在 0.56%0.64%,并含有微量的硅、锰、硫、磷、铬、镍、铜等元素，具有高的弹性极限、屈强化、高的疲劳极限、一定的塑形和韧性，能避免高负荷下产生的永久变形，防止产生疲劳破坏和冲击载荷下发生突然破坏等优良的综合性能及价格低廉的优点,广泛应用与飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中 1。钢的普通热处理工艺有正火、退火、淬火和回火 2。正火是将钢加热至适当温度，保温以后在空气中冷却的到珠光体类组织的热处理工艺
12、。其实质是完全奥氏体化加伪共析转变。正火既可以改善低碳钢的切削加工性能，又可以消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。退火是将钢加热至临界点以上或以下温度，保温后随炉缓慢冷却以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并未淬火做好准备。根据加热温度可以分为：完全退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和去应力退火。淬火是将钢加热至临界点以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。其目的是使工件获得尽可能多的马氏体，提高硬度和耐磨性。常用的淬火介
13、质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物油等。回火是将淬火钢在一定下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却至室温的工艺过程。其主要目的是改善钢的塑韧性，减小或消除淬火应力。根据工件的技术要求，回火可分为高温回火、中温回火和低温回火 3。60Si2Mn 弹簧钢的热处理规范是油淬火、回火。其工艺为预热、加热、保温、冷却、回火保温、冷却。60Si2Mn 弹簧钢的淬火温度以86010为佳，淬火保温时间可取0.50.6min/mm。淬火保温时间关系到淬火透烧时间，若控制不当，铁素体不能全部溶解。在高于 Ac3温度以上的温度保温冷却到常温是奥氏体到马氏体的转变过程 4。21.2 国内外研究进展早在
14、 1887 年,热分析实验就开始有人做了,当时是用热曲线方法分析陶瓷材料,热曲线是用电流计、照相底片和切光器自动记录下来。1915 年,出现了另一范畴的热分析,即热重分析(TG)。1925 年,日本电器工程师首次用热重分析数据预测电绝缘性能材料的使用寿命。第三种热分析方法热膨胀仪出现于第二次世界大战之前。所以,在那个时期,这三大分析技术已经使用起来了。但是,仪器中全自动控制和记录还谈不上。第二次世界大战之后,特别是上世纪 50 年代以来,自动控制和记录的技术得到了发展。在 50 年代中期,日本的全自动 DTA 仪器已经有 3 台。以后,自动化热天平和功率补偿式 DSC 亦成为市售商品。1965
15、 年,在英国的阿伯丁举行了首届国际热分析会议 5。在 1992 年,另一划时代改革就是把温度调节引入到 DSC。突破了由于先前的分析是在线性条件下,只能够局限于热焓测定的限制,同时较好地解决了由于热容而引起的相漂移问题。自上个世纪后半叶以来,计算机技术突飞猛进,应用计算机技术进行热分析成为热分析发展中的一个飞跃性进步。 有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法,它以大型问题为对象,未知数的个数可以成千上万,因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具。由于有限元法强有力的、广泛的分析功能,以及固体力学的数学物理方程与很多其它领域的相应方程可归于同一类方程,因此很自然的被推广应用于分析其它领域
16、问题,尤其是热分析中的场问题,甚至成了这一领域主要的分析方法。应用计算机这一先进手段,以有限元理论为基础进行数值模拟,则可以提高产品加工质量,省时省力,降低成本。ANSYS 作为有效的有限元分析软件,应运而生 6。随着 ANSYS 热分析功能的增强, 计算机软硬件水平的提高, 应用 ANSYS 进行热分析研究的工作也越来越深入。在国外, ANSYS 在热分析的应用取得了很大的进展, 与国内相比, 以多场耦合的应用较多, 如 A1P1Amosov and A1F1Fedotov7应用ANSYS5.1 对在脆性壳中合成坯件的高温热力学状态进行了模拟, 有效的指导了具体3工艺的实施。1.3 研究内容
17、60Si2Mn 弹簧钢由于具有高的弹性极限、屈强化、高的疲劳极限、一定的塑形和韧性，能避免高负荷下产生的永久变形，防止产生疲劳破坏和冲击载荷下发生突然破坏等优良的综合性能及价格低廉的优点 8。它广泛应用与飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中。60Si2Mn 弹簧钢热处理有等温回火和分级淬火、亚温淬火及高温回火、形变热处理的工艺方法。使用该方法能有效地提高 60Si2Mn 弹簧钢的强韧性和使用寿命。而温度对 60Si2Mn 弹簧钢的热处理过程影响很大。所以很有必要对 60Si2Mn 弹簧钢热处理过程的温度场进行数值模拟。ANSYS 有限元软件在热处理温度场的模拟过程中,很
18、好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化,特别适用于钢件热处理过程温度场的准确计算。因此我们可以利用 ANSYS 有限元分析软件对 60Si2Mn 弹簧钢零件热处理过程温度场进行有限元模拟,来获得零件温度随热处理时间的分布关系。利用 ANSYS 软件的热分析模块对某钢件淬火过程进行建模、分网、加载及求解，得到了钢件催货不同时刻的温度场、在某一时刻沿钢件内壁温度分布，以及钢件上所选特殊点的温度分布；同时还建立了淬火过程的数字模型。模拟过程对于催火液的选取及淬火工艺的优化提供了依据，对淬火过程中的热应力、残余应力计算提供了温度边界条件。1.4 研究方法1）查阅相关文献和书籍，掌握钢的热处理原理，为60Si2Mn 弹簧钢制定适当的热处理工艺。2）学习 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）制定 60Si2Mn 弹簧钢热处理工艺。4）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
