1、I本科毕业论文（20 届）合金钢热处理油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II合金钢热处理油冷过程分析摘要：40cr 是工业生产中最常用的材料之一，改善 40cr 的性能具有重大意义。对此对 40cr 进行试验研究，分析热处理前后材料组织和力学性能的改变，测定热处理前后材料硬度、塑韧性的变化，并进行材料的金相组织分析。利用有限元分析软件 ANSYS 模拟 40Cr 热处理油冷过程温度场与时间的变化关系，热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。模拟合金钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的变化；与 45 钢油淬
2、后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 通过模拟获得了温度长随时间的推移而降低。热处理过后材料的硬度和塑韧性都发生了显著的变化，观察到材料的金相组织。关键词：ANSYS 软件；热处理工艺；组织和力学性能；金相组织IIIAbstract：40 cr is one of the most commonly used materials in industrial production, to improve the performance of 40 cr is of great significance. Analysis, experimental research of 40 cr for
3、the organization and mechanical properties of materials change before and after heat treatment, the determination of material before and after heat treatment, the change of the plastic toughness, hardness and microstructure analysis of materials. Using finite element analysis software ANSYS to simul
4、ate the 40 cr oil cooling heat treatment process and the changes of temperature and time of heat treatment purpose is to change the internal organization structure of steel, to improve its performance. Simulation of alloy steel heat treatment in the process of the oil cooling temperature field chang
5、ing with time; Research organizations and the change of mechanical properties of alloy steel before and after heat treatment, And after oil quenching of 45 steel structure and mechanical properties of comparison, analysis of reasons. By simulating the temperature long over time. After heat treatment
6、 the hardness of materials and plastic toughness, significant changes have taken place in the materials microstructure was observed.Key words：ANSYS software; Heat treatment process; Organization and mechanical properties; The microstructureIV目 录1 绪论 .11.1 设计研究目的及意义： .11.2 需要解决的问题： .22 热处理研究概况 .22.1
7、热处理的中国发展史 .32.1.1 热处理在我国的发展史 .32.1.2 国内外热处理技术概况 .42.1.3 热处理技术 .52.1.4 我国热处理计算机模拟技术应用 .63 计算机模拟实验 .83.1 ANSYS 模拟实验介绍 .83.1.1 阐述 .83.1.2 ANSYS 特点及应用领域 .103.2 模拟实验的确定 .123.3 实验内容 .123.3.1 定义单元类型 .123.3.2 定义材料性能参数 .123.3.3 创建几何模型，划分网格 .133.3.4 加载求解 .163.3.5 参看求解结果 .203.4 数值模拟结果与讨论 .224 热处理实验 .234.1 40Cr
8、 实验前分析 .234.1.1 合金钢的分类与编号 .234.1.2 合金钢编号方法 .244.2 40Cr 的性能 .24V4.2.1 40cr 的组织性能 .244.2.2 40Cr 的化学性能 .254.3 40Cr 热处理实验内容 .264.3.1 实验仪器及目的 .274.3.2 淬火工艺 .285 40Cr 热处理后的组织与性能 .285.1 本课题的研究方案 .285.1.1 本次毕业设计的过程总括 .295.1.2 实验材料 .295.2 热处理实验内容 .295.3 40Cr 金相组织分析 .305.3.1 850 20min 淬火后的金相组织 .305.4 硬度试验 .30
9、5.4.1 布氏硬度试验 .305.4.2 洛氏硬度 .325.4.3 硬度测试 .335.5 拉伸试验 .336 40Cr 与 45 钢的热处理前后对比分析 .346.1 45 钢与 40Cr 的洛氏硬度的比较 .346.2 40Cr 与 45 钢的金相组织对比 .356.3 40Cr 与 45 钢的拉伸性能比较 .36结论与 展望 .38参考文献 .39致谢 .4011 绪论1.1 设计研究目的及意义：合金钢（ alloy steel） 钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获
10、得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材大约是在 19 世纪后半期。当时由于钢的生产量和使用量不断增大，机械制造业需要解决钢的加工切削问题，。国际上使用的有上千个合金钢钢号，数万个规格，合金钢的产量约占钢总产量的 10%，是国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料。合金钢的主要合金元素有硅、呜、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状
11、态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部结构，以改善其性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作
12、用的不同，热处理工艺又可分为预备热处理和最终热处理1。合金钢热处理及空冷过程温度场分布要考虑热分析，而热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。在实际生产中，常常会遇到各种各样的热量传递问题，包括热传递、热流密度、热应力、相变、温度分布等这些参数的确定。目前常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法离散单元法和有限差分法，其中有限元法是应用最广泛的。ANSYS 软件就是以有限元法为载体的2。ANSYS软件的热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及与热有关的耦合场分析3。淬火冷却过程属于热分析中的瞬态分析。2在淬火过程中，零件各部分在冷却过程中温度分布和组织转变是不均
13、匀的，最终在零件内部形成热应力和相变应力，直接影响零件的机械性能和使用寿命。甚至在使用过程中产生变形和开裂。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。淬火过程温度分布的传统方法是依靠试验测定和经验判断，不能准确分析和预测淬火过程的温度场4。计算机模拟可将热处理过程动态的、逼真的模拟，ANSYS 软件具有友好的用户接口，强大的分析功能，特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟。可快速准速地获得钢件淬火过程降温历程、温度分布5。1.2 需要解决的问题：模拟合金钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的
14、变化；与 45 钢油淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 拟研究手段：通过建立有限元模型，模拟合金钢热处理油冷过程温度场分布，热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具，ANSYS 软件是融结构、热、流体、物理场于一体的大型通用有限元分析软件主要包括 3 个部分：前处理模块、求解模块、后处理模块。热分析是 ANSYS 软件分析功能的一个模块，；（2）通过实验研究，分析热处理前后合金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。在淬火冷却过程中，因为零件内部温度分布不均匀，这些应力的存在会直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当将会造成零件组织性能达不到预定要
15、求，甚至会产生过量变形或开裂儿报废。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。建立有限元模型，模拟合金钢热处理油冷过程温度场分布；通过实验研究，分析热处理前后合金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 热处理研究概况32.1 热处理的中国发展史2.1.1 热处理在我国的发展史我国热处理技术的历史很悠久。在扮俐器时代，我们的祖先就已经开始认识到热处理的作用，早在殷商时期(约公元前 1600-公元前 1100 年)，就已经发明了用退火方法软化金城箔的技术。在春秋战国时期(公元前 770 一公元前 221年)，已经掌握了常用的热处理工艺
16、如退火、正火、淬火和渗碳等技术，白 n 铸铁的柔化处理就是最早出现的热处理工艺之一，其实质包括石里化退火和脱碳退火工艺这种方法到西汉时期已发展得比较成熟到公元前 6 世纪，钢铁兵器被逐渐使用为了提高俐的硬度.淬火工艺得到迅速的发展。1974 年在河北省易县燕下都出上了战争中、晚期的两把剑和一把枚金相分析表明其显微组织中都有马氏体存在说明是经过淬火处理的。到西汉时期我国的热处理技术水平已经达到较高水平，在我 F1 出土的西汉中期刘胜(中山劝王)墓中的宝剑，心部含碳吐最低处为 0.05%。一般为0.15%-0.4%.而表面含碳员却高达。以上其有一定的碳浓度梯度。说明已经使川用渗碳工艺。但当时这种技
17、术作为个人的“手艺”属于绝对秘密.是不肯外传的，因而限制了该技术的发展。在汉代热处理技术已经有了文字记载。在西汉司马迁所著的史记天官书中记载有:“水与火合为悴”在汉书王褒传中刻有:巧冶铸卜将之琪，清水淬其。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬火介质对淬火质鱿的影响。三国时期蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制 3000 把刀.他说道“汉中水饨弱.不任淬，蜀水爽烈”于是派人到成都取水淬火，制排的刀锌利异常一称绝当世。因日神刀。这说明我国在古代就已经注愈到不同水质的冷却能力。在南北朝时期.蔡毋怀文改进 r 金属热处理工艺，他在淬火时，“浴以五牲之溺.悴以五牲之脂”因为牲晰尿中含有盐类.具有比水高的冷却
18、速度，所以能使淬火后的钢获得较高的硬度。牲畜油肪冷却速度较低.能避免俐淬火时脆裂，提高俐的韧性.减少它的变形。可以看出当时己采用含盐的水和油作为其有不同冷却速度的淬火剂，表明当时已清楚地认识到淬火剂同淬火后钢的性能之问的关系。明代宋应早在天工开物中记毅了大量热处理工艺方法，特别是对渗碳工艺的记载相当成熟。2.1.2 国内外热处理技术概况4由于工业基础的薄弱和在战争中遭受的破坏，我国的热处理在 40 年代还仅仅属于一种作坊式的生产，尚未形成实质性的产业。在工科院校中无热处理的专门学科，因而也缺乏高层次的专业技术人才。当时的热处理操作大都是家传技艺，笼罩着神秘气氛，处于十分落后的境地。我国的热处理
19、产业起源于 50 年代初苏联援建的 156 项企业。其中的机械工厂都设热处理车间和工段。购买了大批苏制热处理设备、包括箱式、井式、盐浴等 30、40 年代水平的电阻加热炉，并相应建立了第一批按苏联图纸生产这些类型设备的电炉厂。一些高等工科学校经过院系调整后、创建了包括在机械制造工艺系中的热处理专业，于19541956 年培养出了第一批专科和本科的热处理专业正式毕业生。50 年代末和 60 年代初还有从苏联学习归来一批热处理专业的留学生。陆续建立的一些科研机构和专院校，基本上能按照材料和应用发展的步伐开展热处理基础和应用技术的研究开发，涌现出一系列的科研成果。由此，从人才培养、研究与开发，生产技
20、术的革新和设备制造等方面初步形成了一个较完整的专业体系。 由于科研和生产应用的脱节，对革新生产设备的忽视以及长期闭关锁国造成的目光短浅，上世纪 60、70 年代的机械、冶金工厂的热处理生产技术没有出现明显的进步。直到 80 年代实现了和国际社会的沟通，引进了先进的技术和设备，一些大型骨干企业的生产技术有了明显的改观。 2.1 热处理行业现状 据中国热处理行业协会在制订国家热处理行业“十一，五”规划时的调查，2003 年我国的热处理概括起来有以下几方面的基本情况： 2.1.1 企业总数 全国全能企业热处理厂、分厂、车间、股份制、民营热处理企业约 15000 家。其中全民所有制企业约占 80%，有
21、 12000 家；个体民营和股份制企业占 20%，约3000 家。由于内地许多地区在进行国营中小企业改制，华东、华南沿海城市民营企业仍在不断涌现，也有不少外资企业准备在沿海城市设热处理加工厂，“十五”后期民营与股份制企业总数仍会继续上升。热处理是保证性能的重要工艺过程，对的制造精度、 的强度、的工作寿命、的制造本钱等有着直接的影响。20 世纪 80 年代以来，国际热处理技术发展较快的领域是热处理技术、的表面强化技术和材料的预硬化技术。 2.1.3 热处理技术5热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、脱气或除气，消除氢脆
22、，从而进步材料（零件）的塑性、韧性和疲惫强度。加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了热处理工艺造成的零件变形小等。19 世纪，冶金学在生产力蓬勃发展的推动下也得到了重视，到 20 世纪 30年代发展衍生若干分支学科，金属学或物理冶金就是其中之一。19 世纪末至 20世纪前叶，钢的一般成分化学分析方法已经建立，观察大于微米级的显微组织的金相学技术已普遍应用，通过物理性能测定或热分析方法研究相变已积累了一定经验，用相律指导相图的工作正在大量开展，这些都为金属学的发展提供了条件。最近 20 年来金属学出现不少新的突破，主要是由于新实验技术和新工艺的出现而取得的。例如，应用电子计算机进行图象处理，可
23、以明显地提高电子显微镜的分辨能力，能直接看到金属中单个原子分布的图象(见电子显微学)；分析电子显微术和各种表面分析设备不断出现，将金属学的发展引向更加深入。又如应用激冷技术制成的快冷微晶合金和某些合金体系形成的非晶态金属，都各自显示出特有的性能，有很大的理论意义和实用价值，为金属学开拓了新园地6。热处理中主要应用的是油冷淬火、气冷淬火和回火。为保持工件（如）加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，淬火过程主要采用油冷和气冷。对于热处理后不再进行机械加工的工作面，淬火后尽可能采用回火，特别是淬火的工件，它可以进步与表面质量相关的机械性能，如疲惫性能、表面光亮度、耐腐蚀性等。热处理过程的计算机模拟技术的成功开发和应用，使得的智能化热处理成为可能。由于生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不答应出现废品的特点，又使得的智能化热处理成为必须。国外产业发达国家，如美国、日本等，在高压气淬方面，发展的也很快，主要针对目标也是。（1）表面处理技术在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的公道配合外，其表面性能对的工作性能和使用寿命至关重要。的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，
