毕业论文设计合金钢热处理油冷过程分析

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1、 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

2、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 Abstract： 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 the organization and mechanical properties of materials change befor

3、e 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 simulate the 40 cr oil cooling heat treatment process and the changes of

4、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 changing with time; Research organizations and the change of mechanical p

5、roperties 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 the hardness of materials and plastic toughness, significant change

6、s have taken place in the materials microstructure was observed.Key words：ANSYS software; Heat treatment process; Organization and mechanical properties; The microstructure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

7、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244.2.1 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

8、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305.4.1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40III太原工业学院毕业设计1 绪论1.1设计研究目的及意义：合金

9、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

10、、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

11、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

12、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。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

13、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

14、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2.1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

15、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

16、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。

17、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 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

18、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

19、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、

20、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

21、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，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

22、现而取得的。例如，应用电子计算机进行图象处理，可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

23、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，以获得所需表面性能的系统工程。目前在制造中应用较多的主要是渗氮、

24、渗碳和硬化膜沉积。由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，的变形极小，因此的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。渗碳是为了进步的整体强韧性，即的工作表面具有高的强度和耐磨性。硬化膜沉积技术目前较成熟的是cvd、pvd。自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术。目前的技术条件下，硬化膜沉积技术（主要是设备）的本钱较高，仍然只在一些精密、长寿命上应用，假如采用建立热处理中心的方式，则涂覆硬化膜的本钱会大大降低，更多的假如采用这一技术，可以整体进步我国的制造水平。（2）材料的预硬化技术 自上个世纪70年代开始，国际上就

25、提出预硬化的想法，但由于加工机床刚度和切削刀具的制约，预硬化的硬度无法达到的使用硬度，所以预硬化技术的研发投进不大。随着加工机床和切削刀具性能的进步，材料的预硬化技术开发速度加快，到上个世纪80年代，国际上产业发达国家在塑料模用材上使用预硬化模块的比例已达到30%（目前在60%以上）。 我国在材料的预硬化技术方面，起步晚，规模小，目前还不能满足国内制造的要求。采用预硬化材料，可以简化制造工艺，缩短的制造周期，进步的制造精度。可以预见，随着加工技术的进步，预硬化材料会用于更多的类型。2.1.4我国热处理计算机模拟技术应用（1）加热炉的温度场的模拟 设计加热炉时同样可以应用计算机模拟技术对不同设计

26、方案进行研究。对加热炉的温度场的模拟，可以讨论不同设计方案对温度均匀性和节能的效果，有助于发现设计上不合理的地方。对大型井式渗碳炉的炉盖包裹隔热层和无隔热层设计的炉顶部分的温度场模拟。模拟结果显示，有隔热层炉盖顶部温度均匀且温度低，这将减少散热；炉盖底部温度较均匀且较高，显然有利于炉内温度场的均匀性。而未包裹隔热层设计，炉盖顶部温度均匀性不好，且局部温度很高，这势必增加对外散热；底部温度不均匀，也会导致增加炉内温度场的不均匀性。两种炉底结构的温度场摸拟。所示为油封型炉底设计，该设计除在结构上带来一定的好处外，显然就刘温度场分析仔在不利的地方，其炉底外侧温度较高，散热相对将比较严重。所示的炉罐设

27、计结构，从中温度场分布看，炉底外侧温度较低，有利于炉内温度的均匀和节约能源。(2）特大型工件的特殊加热过程的计算机模拟 在一些非常特殊的情况下，计算机模拟技术可以发挥独特的作用，如125MN油压机主柱塞材料为45钢，重达150t。由于工件体积庞大，加工企业现有的加热炉功率不足以使其控制升温，难以达到一定厚度淬硬层的设计要求，因此需要制定恰当的加热工艺使其表面一定厚度处奥氏体化，然后进行淬火。为防止温度场梯度过大，首先需预热（500），然后用计算机模拟计算，可得到保温过程中工件表面与心部以及炉气温度随时间的变化曲线，从而确定恰当的保温结束时间。 奥氏体化阶段是以全功率加热升温，在获得要求的一定厚

28、度的奥氏体层后喷水淬火。但是由于工件太大，无法控制升温，从而也就无法预先得知炉气温度变化情况，因此以一般的工件温度场模拟的方法，就遇到一个无法解决的困难，即不能确定工件的环境温度。为此我们采用了扩展域的概念。扩展域即将分析的对象从工件本身扩展到与工件相关的各个方面，通过它们之间的相互联系，再通过已知的某些条件来解决问题。本算例中就是通过加热炉与工件热流值建立关系，通过热流量的近似相等推导出炉中的环境温度。在计算中考虑了工件本身的材料物性参数、组织场的变化对加热冷却的影响，同时还考虑了加热炉与外界环境的热交换和保温材料物性参数对整个过程的影响。按照该思路对第二部分奥氏体化阶段的升温过程加以模拟。

29、在实际生产过程中，对模拟计算得到的温度变化曲线进行了验证，炉气的温度变化和实测值吻合得很好。企业根据此计算结果进行处理，获得了良好的结果。小结:与在工艺过程中的应用一样，计算机模拟技术在热处理工艺装备中的应用同样具有广阔的前景和实用价值。它有助于提高热处理工艺装备设计的科学性和预见性，使热处理装备向着高效、节能和智能化的方向发展。随着计算机模拟技术和热处理及相关领域理论的不断结合、不断成熟，计算机模拟技术在热处理工艺装备中的应用将更加广泛。3计算机模拟实验3.1 ANSYS模拟实验介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件

30、公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer， NASTRAN， AlogorS，AotuCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS公司成立于1970年，是由美国匹兹堡大学的JohnSwanson博士创建的，其总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世界CAE行业最大的公司。 CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM，即Finite Element Method)，边界元法(BEM，即BoundaryElement Method)，有限差法(FDM，即Finite Difference Element Met

31、hod)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。3.1.1 阐述ANSYS程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。

32、表3.1 热分析基本单位 项目国际单位英制单位ANASYS代号长度mft时间sS质量Kg1bm温度力N1bf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/sec热流密度W/mBTU/sec-ft生热速率W/mBTU/sec-ft导热系数W/m-BTU/sec-ft-KXX对流系数W/m-BTU/sec-ft-HF密度Kg/m1bm/ftDENS比热J/Kg-BTU/1bm-C焓J/mBTU/ftENTH注：在热分析中，摄氏度和华氏摄氏度换算关系为1=5/9（-32）表3.2 热分析单位换算表物理量符号换算系数国际单位制单位英制单位压力pPa1bf/in11.4503810-46.8947b101

33、比热容cKj/(kgK)Btu/(1b)12.3884610-14.186801热流率（功率）QWBtu/s13.412082.9307610-11热流密度q*W/mBtu/（sft）13.1699310-13.154641热导率W/(mk)Btu/(sft)1.730765.7778110-11.730761表面传热系数hfW/(m.K)111.7610810-15.6783213.1.2 ANSYS特点及应用领域CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM，即Finite Element Method)，边界元法(BEM，即Boundary Element Method)，有限差法(F

34、DM，即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，如图3.1所示。图

35、3.1 有限元模型分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。现已

36、应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。3.2模拟实验的确定40Cr热处理加热过程属于瞬态热传导问题。这里取40Cr热处理试样为圆柱体，设圆柱体底面半径R=8mm，高h=12mm。因为该40Cr热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，所以可以取圆柱体的一旋转面建立一个二维模型，从而使模拟过程得以简化。3.3实验内容3.3.1定义单元类型1）选择Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete命令，出现Element Type对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。2）在Libra

37、ry of Element Types列表框中选择Thermal Solid，Quad 4node 55，在Element type reference number文本框中输入1，单击OK按钮，关闭该对话框。3）单击Element Type对话框上的Close按钮关闭对话框3.3.2定义材料性能参数（1）选择Main Menu|preprocessor|Material Props|Matcrial Models命令，出现Define Material Model Behavior对话框（2）在Material Models Available列表框中依次选择Thermal|Conducti

38、vity|Orthotropic选项，出现Conductivity for Material Number 1对话框，在文本框中输入材料导热系数，如图3.2所示，单击OK按钮关闭该对话框。（3）选择Ddfine Material Behavior对话框中的Specific Heat选项，出现Specific leat for Material Number1对话框，在文本框中输入材料比热，单击OK按钮关闭该对话框。4）选择Define Material Model Behavior对话框上的Density选项，出现Density For Material Number1对话框，在文本框中输入材

39、料密度7800，如图3.3所示，单击OK按钮关闭该对话框。 图3.2 材料导热系数 图3.3 材料密度5） 在Ddfine Material Behavior对话框中选择Material|Exit命令，关闭该对话框。3.3.3创建几何模型，划分网格（1） 选择Main Menu|preprocessor|Modeling|Create|Areas|Rectangle|By Dimensions命令，出现Create Rectangle by Dimensions对话框。参照图3.4对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。(2）选择Utility Menu|PlotCtrls|Numbering

40、命令，出现Plot Numbering Controls对话框，将选项LINE Line numbers从Off变为On状态，其余选项均采用默认设置，单击按钮关闭该对话框。（提示：显示线段编号。） 图3.4 网格划分(2）选择Utility Menu|PlotCtrls|Numbering命令，出现Plot Numbering Controls对话框，将选项LINE Line numbers从Off变为On状态，其余选项均采用默认设置，单击按钮关闭该对话框。（提示：显示线段编号。）(3）选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSiz

41、e|Lines|Picked Lines命令，出现Element Size on菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮，出现Element Sizes on Picked Line对话框，在NDIV No.of element divisions文本框中输入单元个数40，在SPACE Spacing ratio文本框中输入0.2，如图3.5所示，单击OK按钮关闭该对话框。（提示：将线段1划分成40个单元，且线段上单元尺寸逐渐变小。）(4）选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines命令，出现E

42、lement Size on菜单，在文本框中输入3，单击OK按钮，出现Element Sizes on Picked Line对话框，在NDIV No.of element divisions文本框中输入单元个数40，在SPACE Spacing ratio文本框中输入4，单击OK按钮关闭该对话框。（提示：将线段3划分成40个单元，且线段上单元尺寸逐渐变大。）(5）选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines命令，出现Element Size on菜单，在文本框中输入2，单击OK按钮，出现E

43、lement Sizes on Picked Line对话框，在NDIV No.of element divisions文本框中输入单元个数20，在SPACE Spacing ratio文本框中输入0.2，单击OK按钮关闭该对话框。（提示：将线段2划分成20个单元，且线段上单元尺寸逐渐变小。）(6）选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines命令，出现Element Size on菜单，在文本框中输入4，单击OK按钮，出现Element Sizes on Picked Line对话框，在ND

44、IV No.of element divisions文本框中输入单元个数20，在SPACE Spacing ratio文本框中输入2，单击OK按钮关闭该对话框。（提示：将线段4划分成20个单元，且线段上单元尺寸逐渐变大。）(7）选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Meshing|MeshTools菜单，出现MeshTools菜单，单击Mesh按钮，出现Mesh Areas菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮关闭该菜单。(8）选择Utility Menu|File|Chang Title命令，出现Chang Title对话框，在文本框中输入ELEMENTS IN M

45、ODEL，单击OK按钮关闭该对话框。如图2-4所示 图3.5 网格模型(9） 选择Ulitity Menu|Plot|Element命令，ANSYS显示窗口显示网格划分结果，如图3.6所示。10） 选择Ulitity Menu|File|Save as命令，出现Save DataBase对话框，在Save Database to文本框中输入MAKE2-1.db，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。图 3.6 网格划分结果3.3.4加载求解(1)选择Main Menu|Solution|Analysis Type|New Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择分析

46、类型为Ttansient。单击OK按钮，出现Transient Analysis对话框，在TRNOPTSolution method选项组中选择Full但选按钮，单击OK按钮关闭该对话框。(2）选择Main Menu|Solution|Analysis Type|Soln Controls命令，出现Solution Contrls对话框，单击Basic选项卡，参照图3.7对其进行设置；单击Transient选项卡，参照3.8对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。(3）选MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Thermal|Temperature|Unifor

47、mtemp命令，出现Uniform Temperature对话框，在文本框中输入850，如图3.9所示，单击OK按钮关闭该对话框。图3.7 设置时间 图3.8 设置初始温度 图 3.9 设定最高温度（4）选择Utility Menu|Select|Entities命令，出现Select Entities对话框。在第1个下拉列表中选择Lines选项，其余选项均采用默认设置，单击OK按钮，出现Select lines菜单，在文本框中输入2,3，单击OK按钮关闭该菜单。（5）选择Ulitity Menu|Seclect|Entities命令，出现Select Entities对话框。在第1个下拉列表

48、框中选择Nodes选项，在第2个下拉列表框中选择Attached to选项，然后选择Lines单选按钮，再单击OK按钮关闭该对话框。（6） 选择Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Thermal|Convection|On Nodes命令，出现Apply CONY on Nodes菜单，单击Pick All按钮，出现Apply CONV on nodes对话框，对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。（7）选择Ulitity Menu|Select|Everything命令。（8）选择Main Menu|Solution|Analysis Type|An

49、alysis Options命令，出现Full Transient Analysis对话框。在EQSLVEquation solver下拉列表框中选择JGG out-of-core选项，其余选项均采用默认设置，然后单击OK按钮关闭该对话框(9）选择Ulitity Menu|File|Save as命令，出现Save DataBase对话框，在Save Database to文本框中输入MAKE2-2.db，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。(10）选择Main Menu|Solution|Solve|Current LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，

50、单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。如图3.10、3.11所示。求解结束后，ANSYS显示窗口出现Note提示框，单击Close按钮关闭该对话框。（11）选择Utility Menu|File|Save as命令，出现Save DataBase对话框，在Save Database to文本框中输入MAKE2-3.db，保存求解结果，单击OK按钮关闭对话框。 图3.10 求解结果l图3.11 求解图形3.3.5参看求解结果（1）选择Main Menu|General Postproc|Read Results|Last Set命令。（2）选择Main Menu|General Postproc

51、|Plot Results|Contour Plot|Nodal Solu命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框。选择Nodal Solution|DOF Solution|Nodal Temperature，单击OK按钮，ANSYS显示窗口显示温度场等值线图，如图3.12 3.14所示图3.12 1800s温度场分布（3）选择Utility Menu|Plotctrls|Style|Craphs|Modify Axes命令，出现Axes Modifications for Craph Plots对话框，参照图2-12对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。（4

52、）选择UtilityMenu|Plotctrls|Style|Craphs|ModifyCurve命令，出现Curve Modifications for Craph Plots对话框，在/GTHKThickness of curves下拉列表框中选择Triple选项，单击OK按钮关闭该对话框。（5）选择UtilityMenu|Plotctrls|Style|Colors|Craph Colors命令，出现Craph Colors对话框，在CURVE Craph curve number 1下拉列表框中选择黄色，单击OK按钮关闭该对话框。6）选择Main Menu|TimeHist Postp

53、ro|Define Variables命令，出现Defined Time-History Variables对话框，单击Add按钮，出现Add Time-History Variable对话框，选择Nodal DOF result，单击Add Time-History Variable对话框上的OK按钮，出现Define Nodal Data菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮，出现Define Nodal Data对话框，参照图3.13对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。 图3.13 设置研究点（7）单击Defined Time-History Variable对话框中的Close按钮关

54、闭该对话框。（8）选择Main Menu|TimeHist Postpro|Craph Variables命令，出现Craph Time-History Variables对话框，在NAVR1 1st variable to Craph文本框中输入2，单击OK按钮，ANSYS显示窗口显示型材横截面中心温度随时间变化关系曲线图，如图3.14所示。（9）选择Ulitity Menu|File|Exit命令，出现Exit form ANSYS对话框，选择Quit-No Save！，单击OK按钮，关闭ANSYS。 3.4数值模拟结果与讨论 图3.14 300s温度场分布 图3.15 1800秒时间内的

55、温度变化曲线 由图可知40cr在随时间的变化温度在逐渐的降低。 其物体的中心温度始终比较高。4. 热处理实验4.1 40Cr实验前分析4.1.1合金钢的分类与编号合金钢的分类 （1）按合金元素总的质量分数分类a低合金钢（(w5） b.中合金钢（(w5%10%）c.高合金钢（w10）（2）按钢中元素种类分类 a.锰钢 b.铬钢 c.硼钢 d.铬镍钢 e.铬锰钢（3）按用途分类 a.合金结构钢 b.合金工具钢 c.特殊性能钢 （4）按正火后组织分类a. 铁素体刚 b. 奥氏体钢 c.莱氏体钢4.1.2合金钢编号方法（1)低合金高强度结构钢 牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服极限数值、质量等

56、级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。（2）合金结构钢 牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表平均含碳量的万分之几，元合金元素后面的数字表示合金元素的平均含量，一般以百分十几表示，合金元素的平均质量分数w1.5%时，牌号中一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数1.5、2.5、3.5%，时，则在合金元素后面相应地标出2， 3，4，。（3）铬滚动轴承钢 铬滚动轴承钢牌号由GCr+数字组成，数字表示铬含量平均值的千分之几。（4）合金工具钢 合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相同，所不同的只是含碳量的表示方法不同。（5）不锈钢与耐热钢 不锈钢与耐热钢（珠光体型耐

57、热钢除外）的牌号由“数字+合金元素符号+数字”组成。通常，前面的两位数字表示平均含碳量的万分之几。4.2 40Cr的性能4.2.1 40cr的组织性能 从铁碳合金相图上看，40Cr属于亚共析钢，缓冷到室温后的组织为组织为铁素体+珠光体；从钢的分类来看，40Cr属于低淬透性调质钢，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，既具有良好的综合机械性能；40Cr应用十分广泛，可用于制造汽车、拖拉机上的连杆、螺栓、传动轴及机床主轴等零件40Cr的力学性能（GB/T699-1999）表4.1 40Cr的力学性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%断面收缩率/%冲击功/J980785945474.2.2 40

58、Cr的化学性能40Cr的化学成分（GB/T3077-1999）表4.2 40Cr的化学成分CSiMnCrSPNiCu0.370.450.170.370.500.800.801.100.0300.0300.250.030铬（Cr）：在结构钢40Cr中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.150.30%的硅。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。硅量增加，会降低钢的焊

59、接性能。锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。在钢中加入0.70%以上时，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。 镍(Ni)：镍能提高钢

60、的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。4.3 40Cr热处理实验内容 热处理是将刚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组织结构层，一改善其性能。通过适当的热处理可以显著提高钢的力学性能，延长机器零件的使用寿命。热处理通常是由加热、保温和冷却三个阶段组成。钢的热处理过程，大多数第首先把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却一获得所期望的组织和性能。研究刚在加热时的组织转变规律，控制加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要

61、意义。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。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，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至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有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。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问题。加热温度随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。另外转变需要一定的时间，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，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长7。40Cr属于中