1、本科毕业论文（20 届）45 钢热处理水冷过程分析所在学院专业班级 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 钢热处理水冷过程分析 1设计的主要任务及目标建立有限元模型，模拟 45 钢热处理水冷过程温度场分布；通过实验研究，分析热处理前后 45 钢组织和力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2设计的基本要求和内容1）设计的基本要求：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；
2、论文格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。2）设计内容：模拟 45 钢热处理水冷过程中温度场随时间的变化关系；研究 45 钢热处理前后组织及力学性能的变化；与合金钢水淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 3主要参考文献1 ANSYS 有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004（05）2 钢件淬火过程温度场的数值模拟J.热加工工艺技术与材料研究，20083 ANSYS10.0 热分析教程与实例解析4 45 钢零件淬火过程温度场分布的数值模拟J.重庆大学学报，2003（03）5 材料科学基础（铁碳合金相图与热处理部分）4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了解软
3、件，完成开题报告 2014.01.10 至 2014.03.102 阅读文献，深入学习软件，确定实验方案 2014.03.10 至 2014.03.313 进行模拟计算和试验，准备中期检查 2014.04.01 至 2014.04.204 完成模拟计算和试验及结果分析 2014.04.20 至 2014.05.155 撰写毕业论文，准备答辩 2014.05.15 至 2014.06.05I45 钢热处理水冷过程分析摘要:45 钢是中碳优质结构钢，Wc=0.45%,冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低廉、较容易得到，因此应用广泛于机械制造。常应用于小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮
4、、连杆、链轮等，其最大不足时淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不适宜采用。对于性能要求较高的零件，必须进行调质处理。对 45 钢进行调质处理后，得到均匀的回火索氏体，从而使其具有良好的综合力学性能。研究本课题主要是通过实验和 ANSYS 软件模拟。其中包括对 45 钢的热处理水淬以及热处理前后 45 钢的力学性能和金相组织的对比；同时还与合金钢40Cr 热处理水淬的力学性能比较；由于工件在淬火过程中内外温差会导致热应力和组织应力的产生，利用有限元 ANSYS 软件对 45 钢热处理水淬过程的温度场进行模拟，分析工件的各个部分在热处理水淬过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经过热处
5、理后获得比较好的力学性能提供一定的理论依据。关键词：45 钢，热处理，力学性能，温度场模拟IIHeat treatment of 45 steel cooling process analysisAbstract: 45 steel is carbon in the high-quality steel, Wc = 0.45%, hot and cold processing performance is good, better mechanical properties, and low cost, easy to get, so widely used in machinery manu
6、facturing. Often used in the small cross section, the load of conditioning parts, such as main shaft, crankshaft, gear, connecting rod, sprocket, etc., its biggest weakness low hardenability, section size and requires high workpiece is not suitable for adoption. Higher requirements for performance p
7、arts, conditioning treatment must be carried out. After tempering process on 45 steel, get evenly tempered sorbite, making it has better comprehensive mechanical properties.Study this subject mainly through experiment and ANSYS software simulation. Including water quenching heat treatment of 45 stee
8、l and heat treatment before and after the contrast of mechanical properties and microstructure of 45 steel; Also, the mechanical properties of 40 cr alloy steel heat treatment and water quenching; Workpiece during quenching temperature difference between inside and outside the thermal stress and org
9、anization stress can result from the finite element ANSYS software of 45 steel heat treatment of water quench process, to simulate the temperature field analysis of the various components of a workpiece in the process of water quenching heat treatment temperature, in order to optimize the heat treat
10、ment process, the workpiece after heat treatment to obtain better mechanical performance to provide certain theoretical basis.Keywords: 45 steel, heat treatment, mechanical properties, the temperature field simulationIII目 录1 绪 论 .12 资料综述 .22.1 钢的分类 .22.2 45 钢的热处理工艺 .32.2.1 加热温度的选择 .42.2.2 保温时间的选择 .4
11、2.3 小 结 .73 热处理实验 .73.1 前期准备 .83.1.1 实验概述 .83.1.2 试件准备 .83.2 45 钢的热处理 .83.2.1 试验设备的介绍 .83.2.2 实验概述 .93.2.3 实验步骤 .103.2.4 实验结果 .113.3 布氏硬度和洛氏硬度实验 .113.3.1 布氏硬度实验 .113.3.2 洛氏硬度实验 .133.4 拉伸试验 .153.4.1 实验设备 .153.4.2 实验步骤 .153.4.3 实验原理 .163.4.4 实验结果 .163.5 45 钢热处理前后金相组织的分析比较 .163.5.1 实验设备和实验前的准备 .173.5.2
12、 金相图分析 .183.5.3 实验结果 .193.6 小 结 .194 ANSYS 有限元分析软件 .20IV4.1 ANSYS 软件概述 .204.2 基于 ANSYS 的淬火温度场的数值模拟实例分析 .224.2.1 前处理阶段 .224.2.2 温度分布图 .264.2.3 获取关键点温度随时间变化的曲线图 .294.3 小 结 .32总 结 .33参考文献 .34致 谢 .3511 绪 论钢是经济建设中使用最广，用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。作为当今社会应用最广泛的材料之一，其在结构材料中的使用，它的性能在很高层面上决定了产品的质量，因此它性能的提升具有重
13、要的意义1。其中，使用性能则是材料或者被制作成零部件的材料在服役过程中表现出来的一系列特性和性能，如强度、塑性、韧性、耐磨性等物理、化学和力学性能2。为使 45具有所需的力学性能，物理性能和化学性能，除了合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。它不改变 45 钢的外形，通过热处理能充分发挥 45钢的潜力，并赋予 45 钢所需要的各种性能，达到提高 45 钢质量，延长使用寿命，确保机器安全可靠运行的目的。其中冷却性能是淬火介质重要的性能，它的好坏直接影响到淬火零件的质量，良好的冷却性能可保证淬火后的零件具有一定的硬度和合格的金相组织，可以防止零件变形和开裂3。热分析是广泛应用于
14、各个领域的一种分析工具。估算和控制工件的温度场，分析不同条件下，不同材料及几何形状对温度场变化的影响，防止工件缺陷的产生。热分析在工业生产及科学研究中具有重要作用，而且钢铁行业投资大，工艺复杂，进行有限元模拟分析尤为重要4。ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上著名的有限元软件公司美国 ANSYS 公司开发5。ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块；利用 ANSYS 软件的热分析模块对钢件淬火过程进行建模、分网、加载及求解，得到钢件淬火不同时刻的温度场，模拟过程对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据，对
15、淬火过程中的热应力、残余应力计算提供温度边界条件6。同时 ANSYS 有限元软件在温度场的模拟过程中，很好的结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算，通过利用ANSYS 有限元软件对几何外形复杂的 45 钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到零件温度随淬火时间的分布关系。模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程的热应力、残余应力做好准备工作7。为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。22 资料综述2.1 钢的分类工业用钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要
16、的地位7。钢铁材料是工业应用最广、用量最多的金属，其品种繁多、性能各异。按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。结构钢用作各种机器零件的钢，如：渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢；也可用作工程结构的钢，如碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。工具钢用来制造各种工具的钢，根据用途不同可以分为刃具钢、模具钢与量具钢。特殊性能钢是具有特殊物理化学性能的钢，可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%） 、中碳钢（0.25%含碳量0.6%） 、高碳钢（含碳量0.6%） 。合金钢：按合金元素含量又可分为低
17、合金钢（合金元素总含量5%） 、中合金钢合金元素总含量=5%-10%） 、高合金钢（合金元素总含量10%） 。 45 钢是中碳结构钢，其相关信息见表 2.1。表 2.1 45 钢相关信息牌号用两位数字表示，这两位数字表示平均含碳量的万分之几，比如 45 钢表示钢中平均含碳量为 0.45%，08 钢表示平均含碳量为 0.08%。含猛量较高的钢，须将猛钢号 化学成分 热处理 力学性能 应用举例45C 0.42-0.50Mn 0.5-0.8Si 0.17-0.37Cr 0.25正火 850淬火：840水回火：600抗拉强度 600Mpa屈服强度 355Mpa伸长率 16断面收缩率 40冲击韧性 39
18、J小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等3元素标出，如平均含碳量为 0.50%，含猛量为 0.70%-1.00%的钢，其牌号为“50Mn” 。根据 45 钢的含碳量 0.45%可知，45 钢属于中碳优质碳素结构钢，它的室温组织是铁素体和珠光体的组合。其硬度不高易切削加工，45 钢淬火前的硬度低于 28HRC,淬火后的硬度可以高于 55HRC。调质处理后零件具有良好的综合力学性能，即硬度尚可，塑性较高。2.2 45 钢的热处理工艺钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。GB/T699-1999 标准规定 45 钢推荐热处
19、理制度为：正火 850，淬火 840，回火 600，达到的性能为屈服强度355Mpa。本文对 45 钢采取 840淬火，600高温回火，淬火是为了得到马氏体组织，再经过回火后，可使工件获得良好的使用性能。所谓淬火就是将钢加热到 Ac3(亚共析钢)或 Ac1(过共析钢)以上 30-50，保温后放入各种不同的冷却介质中（V 冷应大于V 临） ，以获得马氏体组织。45 钢经过淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成，为了正确地进行 45 钢的淬火，必须考虑以下三个因素：淬火加热的温度，冷却速度和保温时间。回火是指将淬火钢加热到 A1以下的某温度保温适当时间后，置于空气或者水中冷却的工艺，目的是为了减少或消除淬火内应力，防止开裂或变形；获得所需要的力学性能，调整淬火后的硬度和韧性；稳定尺寸，防止使用时变形。本论文主要研究 45 钢淬火后水冷以及高温回火后的性能研究。2.2.1 加热温度的选择对 45 钢进行热处理时，其加热过程主要是为了得到均匀、细小的奥氏体晶粒，而温度对奥氏体晶粒的形成速度和晶粒大小影响最大的因素；而且工件在加热过程中由于内外温差会导致热应力和组织应力的产生。钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗
