1、本科毕业论文（20 届）T12 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： T12 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T12 钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉 T12 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
2、供一定的理论依据。2主要任务（1）制定 T12 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 T12 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 刘旭麟，高路斯，刘顺华，等.T8 钢淬火热处理组织的计算机模拟研究J. 热加工工艺，2006，35（6）：44-46.2 张建峰，王翠玲，吴玉萍，等. ANSYS 有
3、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 2
4、 日6 月 22 日审核人： 2015 年 1 月 16 日IT12 钢热处理过程温度场的数值模拟摘 要：本文采用 ANSYS 有限元软件，建立了 T12 钢有限元模型，对 T12 钢热处理过程的二维轴对称温度场进行了分析计算，得到了 T12 钢热处理过程不同时刻的温度场分布和钢件上所选特定点温度分布。结果表明温度场的计算机模拟可以快速准确的获得任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。尽管本文对相变潜热忽略和数值计算模型本身就有的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但模拟出来的温度场变化规律是合理的。关键词：T12 钢，热处理，温度场，有限元模拟Numerical Simulatio
5、n of Temperature Field in Heat Treatment Process of T12 SteelAbstract：In this paper, field element model are built and two dimensional axis-symmetric temperature field in the process of heat treatment of T12 Steel is simulated with finite element software of ANSYS. The temperature field at different
6、 moments and temperature distribution of selected special points are obtained. The simulation results show that the change of temperature over time of internal position of the T12 steel can quickly and accurately obtain. There are some errors in temperature field simulation. Although we ignore the l
7、atent heat and the numerical model of inherent error, it is reasonable to simulate the temperature field variation.Keywords: T12steel, Heat treatment, Temperature field, Finite element simulationII目 录1 前言 .11.1 研究目的及意义 .11.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展 .21.3 本文研究的内容 .21.4 本章小结 .32 有限元法概述 .42.1 数值模拟的基本概述 .42.2
8、 ANSYS 有限元软件 .42.2.1 ANSYS 的概述 .52.2.2 ANSYS 的功能 .52.2.3 ANSYS 的用户界面 .72.2.4 ANSYS 分析的基本过程 .82.3 温度场计算基本原理 .92.3.1 温度场 .92.3.2 温度场控制方程 .92.3.3 初始条件和边界条件 .92.3.4 热物性参数的选择和相变潜热的处理 .102.3.5 瞬态非线性温度场的求解 .102.4 本章小结 .113 碳素工具钢及其热处理工艺研究 .123.1 碳素工具钢 .123.2 热处理简介和碳素工具钢的热处理 .123.3 T12 钢的热处理工艺 .133.3.1 T12 钢
9、的物性参数 .133.3.2 T12 钢的热处理工艺 .143.4 本章小结 .154 有限元模拟过程 .164.1 有限元建模 .164.2 有限元模拟具体步骤 .16III4.3 结果与分析 .224.3.1 球化退火过程温度场结果和分析 .224.3.2 淬火过程温度场结果和分析 .254.3.3 回火过程温度场结果和分析 .284.4 本章小节 .305 结论 .31参考文献 .32致 谢 .3411 前言碳素工具钢资源丰富、易于锻造成形、切削加工性能好、原料来源方便、便于回收利用，经热处理后能够得到高的硬度和高的耐磨性。在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。全球诸多
10、工业国家，在努力提高低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也高度关注改进碳素钢的各项力学性能，扩展其品种和应用领域。目前，碳素钢的产量约占钢总产量的 80%左右，它不仅广泛应用于路桥、轨道交通、汽车、船舶、建筑、军工和机械制造工业，而且在近代的海洋幵发、航天工程等方面也得到广泛使用。1.1 研究目的及意义在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。但随着科学技术的进一步发展，对碳素工具钢零件的性能和可靠性要求越来越高。碳素工具钢零件的内在性能和可靠性除了与材料成分特性有关外，更是与其热处理工艺方式密不可分。合理的热处理工艺可以有效的优化零件内部组织分布、控制晶粒尺寸、改善应力状态，从而
11、更好的发挥碳素工具钢的潜力，扩大其应用范围。由此可见在现代工业中热处理具有十分重要的地位。在热处理过程中，温度是涉及所有热处理工艺过程的基本参数。温度的变化直接决定工件内部显微组织结构及热处理后工件内部的残余应力 1。因此在热处理过程中对零件的温度场进行研究具有重要的实际意义。在理论上对温度场的解析是很困难的，甚至于是不可能的。采用物理模拟方法对温度场模拟进行研究也存在很大的局限性。因此借助先进的计算机技术，应用数值模拟的方法对热处理过程温度场的研究具有十分重要的意义。目前常用作数值模拟的有限元软件主要有NASTRAN、 ASKAANSYS、COSMAP 等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数
12、据的支持，取得了非常好的成果。在这些有限元软件中，ANSYS 软件不仅可以将热处理过程动态、逼真的模拟出来，还可以清晰直观的显示热处理过程任意时刻、任意节点的温度分布 2。因此本文采用 ANSYS 软件对 T12钢热处理过程温度场进行模拟。21.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展早期人们采用人工测量、经验判断或两者相结合来研究热处理过程的温度场。随着计算机和数值模拟技术的日益发展，人们开始采用数值模拟来对热处理过程的温度场进行研究，并取得了很大的进展。国外在温度场计算方面的研究起步较早，19 世纪 70 年代左右己经实现了非稳态温度场的数值计算；随后，在热处理过程温度场数值计算中开始考虑相
13、变潜热释放、对流换热系数的选取和热物理性参数等非线性因素 3。21 世纪以后，国内外公司和学者先后开发了 HEARTS、SYSWELD、DEFORM 、DANTE、Thermal Prophet、ABAQUS、ANSYS 、MARC 等大型有限元软件。这些软件广泛应用于热处理的正火、退火、淬火、回火、渗碳渗氮、感应加热及金属再结晶、晶粒长大等现象中的数值模拟。我国开展热处理数值模拟工作比较晚，首先是一些学者和留学生开始了这方面的研究 4。二十世纪八十年代后，国内的一些大学，公司开始陆续开展研究工作；殷雯等通过求解碳钢零件淬火过程温度场的分布，得出了一种不需要由实验测量的平面及轴对称零件淬火冷却
14、时温度分布的确定方法 5；朱圆圆等采用 ANSYS 对 45 钢淬火过程温度场进行了研究，得出了淬火时 45 钢应选用的合理淬火介质以及淬火的时间控制 6。目前数值模拟不仅能对热处理温度场进行动态、逼真的模拟，它还可以预测工艺结果是否符合组织、性能要求，进行安全评估等。利用数值模拟不仅可以对现行工艺进行校核，而且可以优化工艺方案和参数，从而使热处理工艺的制定建立在更可靠的科学基础上。通过各国学者的不断努力热处理温度场的数值模拟将不断完善并走上实用化。1. 3 本文研究的内容本文以 T12 钢为代表的碳素工具钢为研究对象，利用有限元软件 ANSYS，模拟热处理过程中 T12 钢的温度场。在热处理
15、过程中温度是基本的参数，它对产品的结构和尺寸有着重要的影响，因此在设计和加工过程中要充分考虑温度这个因素。可3见对热处理过程中温度场的数值模拟具有重要的工程实际意义。本文主要进行以下几方面工作：1) 了解碳素工具钢和热处理规范，能够制定出 T12 钢合理的热处理工艺。2) 介绍了有限元软件 ANSYS 和其热分析功能，并简述了数值模拟技术和有限单元法。3) 根据传热学和热力学第一定理等基本原理,建立了轴对称温度场的微分方程，并讨论了热处理过程的初始条件和边界条件。4) 讨论了瞬态温度场非线性的求解和相变潜热对温度场的影响，并讨论热处理过程中工件表面的综合换热系数的选择。5) 建立 T12 钢二维温度场有限元模型，并在模型中考虑了材料非线性的影响。6) 对制定的 T12 钢热处理工艺进行了数值模拟计算，并分析热处理过程温度场分布对 T12 钢组织和力学性能的影响。温度场数值模拟的现实意义在于,根据对热处理过程温度场的数值模拟,可以为热处理加热和冷却的时间提供参考,并为合理选择加热参数提供了理论依据。现在的好多文献都是研究淬火过程，对其他热处理工艺数值模拟研究很少，本文对除淬火外热处理工艺的研究为其他学者提供了一个参考。1.4 本章小结本章对研究本课题的目的、意义和国内外研究进展进行了简单的综述，最后确定本文的研究内容。
