畢業(yè)論文-45鋼熱處理過程溫度場的數(shù)值模擬

畢業(yè)設計45鋼熱處理過程溫度場的數(shù)值模擬學生姓名：學號：系部：機械工程系專業(yè)：材料成型及控制工程指導教師：二零一五年六月誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名：年月日

畢業(yè)設計任務書設計題目：45鋼熱處理過程溫度場的數(shù)值模擬系部：機械工程系專業(yè)：材料成型及控制工程學號：學生：指導教師（含職稱）：1．課題意義及目標學生應通過本次畢業(yè)設計，運用所學過的金屬學及熱處理等專業(yè)知識，了解45鋼的概況、鋼的熱處理原理和熱處理工藝；熟悉45鋼的熱處理工藝方法；熟悉ANSYS軟件；掌握ANSYS軟件計算熱處理過程溫度場的方法，通過畢業(yè)設計為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質量提供一定的理論依據(jù)。2．主要任務（1）制定45鋼熱處理工藝。（2）模擬計算熱處理加熱過程某些時刻溫度場的分布及某些特定位置溫度隨時間的變化關系。（3）模擬計算熱處理冷卻過程某些時刻溫度場的分布及某些特定位置溫度隨時間的變化關系。（4）分析熱處理過程溫度場分布對45鋼組織和力學性能的影響。（5）撰寫畢業(yè)論文。結構完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標點符號；格式符合太原工業(yè)學院學位論文格式的統(tǒng)一要求。3．主要參考資料[1]賴宏，劉天模.45鋼零件淬火過程溫度場的ansys模擬[J].重慶大學學報，2003，26（03）:82-84.[2]朱圓圓，祁文軍，易挺，等.鋼件淬火過程溫度場的數(shù)值模擬[J].新技術新工藝，2008，（11）：97-99.[3]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京，機械工業(yè)出版社，2007：230-3084．進度安排設計各階段名稱起止日期1閱讀文獻，了解研究目的意義制定熱處理工藝3月3日2軟件學習，完成加熱過程溫度場計算3月243完成冷卻過程溫度場計算4月14日4進行結果分析5月5日~5完成撰寫及答辯工作6月2日審核人：趙躍文2015年1月16日(過共析鋼)以上30℃-50℃，保溫后放入不同的冷卻介質中（冷卻速度大于臨界冷卻速度），以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。其目的是使工件獲得盡可能多的馬氏體，提高硬度和耐磨性?；鼗鹗菍⒋慊痄撛谝欢ㄏ聹囟燃訜幔蛊滢D變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當?shù)姆绞嚼鋮s至室溫的工藝過程。其主要目的是改善鋼的塑韌性，減小或消除淬火應力?，F(xiàn)將45鋼的熱處理工藝制定為正火溫度為840℃，先從室溫加熱到設定溫度保溫2小時后，再出爐空冷至室溫；淬火溫度為840℃，先從室溫加熱到設定溫度保溫1小時后，再水冷淬火至室溫；回火溫度為600℃，先從室溫加熱到設定溫度保溫2小時，再出爐空冷至室溫；45圖3.1熱處理工藝曲線3.2有限元建模3.2.1熱物性參數(shù)的選擇熱物性參數(shù)主要是指導熱系數(shù)、密度和定壓比熱。一般來說熱處理數(shù)值模擬用到的熱物性參數(shù)不是常數(shù)，它們隨組織、溫度變化而變化的。在熱處理中各節(jié)點一般不是單一的組織，這種情況下就需要根據(jù)不同溫度、不同組織的含量計算此節(jié)點某一時刻的熱物性參數(shù)。但對于常見的材料，我們可以查閱有關專著手冊獲得。本文通過查閱相關論文和《實用熱物理性質手冊》獲得。45鋼的比熱容熱導率與溫度關系如表3.1所示，45鋼的換熱系數(shù)與溫度關系如圖3.2所示。表3.145鋼的比熱容熱導率與溫度關系T/℃1002003004005006007007558009001000Cp/(J/Kg·℃)4804985245606157008541064806637602λ/(W/W·℃)43.5340.4438.1336.0234.1631.9828.6625.1426.4925.9224.02表3.245鋼的換熱系數(shù)與溫度關系T/℃50100200300350400500600700800h/(W/m2·℃)2000380060001350014000125007000420015005003.2.2網(wǎng)格劃分在對零件加熱或冷卻過程中，雖然初始溫度均勻，但加熱或冷卻開始后，零件內部溫度分布差異比較大，除此外熱傳導系數(shù)、換熱系數(shù)、密度等熱物性參數(shù)隨時間的變化而改變，因而在模擬過程中形成數(shù)據(jù)震蕩。對于瞬態(tài)問題的溫度場，我們一般采用局部網(wǎng)格加密化法來解決這一問題。局部網(wǎng)格細化，是針對零件內部溫度分布差異大的情況．對于加熱火或冷卻過程，零件邊界在極短時間內溫度急劇變化，材料的熱物性參數(shù)變化大，對于這些區(qū)域為了保證計算結果的正確性及避免產生數(shù)值振蕩，應該對這些區(qū)域進行局部網(wǎng)格細化．劃分網(wǎng)格的方式有很多種，本次模擬以盡可能的獲得小正方形的標準劃分網(wǎng)格。具體劃分是豎直方向劃分60等份，水平方向劃分30等份。3.3ANSYS模擬過程模擬對象為圓柱體零件，正火是將其由室溫25℃加熱到840℃，保溫一段時間后空冷至室溫；淬火是將其由室溫25℃加熱到840℃，保溫一段時間后水淬至室溫；回火是將其由室溫25℃加熱到600℃，3.3.1建模CB設圓柱體底面半徑R=30mm，高h=60mm。由于該45鋼熱處理試樣為圓柱體，為軸對稱模型，故我們可以取該圓柱的一旋轉面，使模擬過程得以簡化，建立一個二維模型如圖3.2所示。在建模過程中，以CB圖3.2圖3.2軸對稱有限元模型DADA3.3.2定義材料熱物性參數(shù)淬火45鋼的密度與溫度變化關系不是很大，按常數(shù)處理，對最后結果影響不大。而對比熱容、熱導率、換熱系數(shù)等這些溫度影響較大的熱物性參數(shù)，由于這些參數(shù)是溫度和相變組織成分的函數(shù)，正火、淬火、回火過程溫度跨度比較大，組織變化程度大,因而將各熱物性參數(shù)看作恒量顯然是不合理的。因此比熱容、熱導率必需看成是溫度的函數(shù)[2]。由手冊[3]查得45號鋼的比熱容、熱導率與溫度變化關系如表3.1所示，45鋼的換熱系數(shù)與溫度的關系如表3.2所示。3.4加載求解階段正火：設定有限元分析類型為瞬態(tài)傳熱，正火加熱過程對流邊界的對流系數(shù)500，并設置初始溫度為25℃，最終加熱溫度為840℃，同時設置最終時間為1800s；正火冷卻過程對流邊界的對流系數(shù)1000，并設置初始溫度為840℃，最終加熱溫度為25℃淬火：設定有限元分析類型為瞬態(tài)傳熱，淬火加熱過程對流邊界的對流系數(shù)500，并設置初始溫度為25℃，最終加熱溫度為840℃，同時設置最終時間為1800s；淬火冷卻過程對流邊界的對流系數(shù)1000，并設置初始溫度為840℃，最終加熱溫度為25℃回火：設定有限元分析類型為瞬態(tài)傳熱，回火加熱過程對流邊界的對流系數(shù)4200，并設置初始溫度為25℃，最終加熱溫度為600℃，同時設置最終時間為1500s；回火冷卻過程對流邊界的對流系數(shù)500，并設置初始溫度為600℃，最終加熱溫度為253.5結果及分析3.5.1正火過程由設定的求解條件可以得到正火過程1800s內零件各部分的加熱溫度場分布,45鋼圓柱體零件旋轉面的加熱過程中不同時刻溫度場分布如圖3.3所示。b)a) b)a)d)c)d)c) e)e)f) 圖3.3正火加熱過程不同時刻的溫度場分布（單位：℃）a.30sb.60sc.300sd.600se.1200sf.1800s由圖3.3(a)可以看出，在30s時工件表面溫度迅速上升到378.5℃，中心溫度為164.7℃。從圖3.3(d)可以看出在600s時，工件中心溫度有了明顯的上升，達到了821.7℃。從這些圖中可以看出，在加熱過程中，工件溫度不斷上升且在任意時刻中心溫度一直低于表面溫度，這完全符合由表面向中心加熱的生產實際。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從252.由設定的求解條件可以得到正火過程1800s內零件各部分的冷卻溫度場分布,45鋼圓柱體零件旋轉面不同時刻的冷卻溫度場分布如圖3.4所示。由圖3.7可以看出，在35s時工件表面迅速下降至332.8℃，中心溫度變化較小。從圖3.9可以看出在305s時，工件中心溫度明顯的下降，達到了29.4℃。從這些圖中可以看出，在冷卻過程中，工件溫度不斷降低且在任意時刻中心溫度一直高于表面溫度，這與實際生產相符合。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從840℃ b)ab)a)d)cd)c)sse) 圖3.4正火冷卻過程不同時刻的溫度場分布（單位：℃）a.35sb.65sc.305sd.605se.1205s3.5.2淬火過程由設定的求解條件可以得到淬火過程1800s內零件各部分的加熱溫度場分布,圓柱體零件不同時刻的加熱溫度場分布如圖3.5所示。由圖3.5（a）可以看出，在60s時工件表面溫度迅速上升到507.3℃，心部的溫度變化相對較小。從圖3.5(c)可以看出在600s時，工件心部溫度有了明顯的上升，達到了821.7℃。從這些圖中可以看出，在加熱過程中，工件溫度不斷上升且在任意時刻中心溫度一直不高于表面溫度，這與實際生產相吻合。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從25℃a)b)a)b)d)d)c)c)f)f)e)圖3.5淬火加熱過程不同時刻的溫度分布（單位：℃）a.30sb.60sc.300sd.600se.1200sf.1800s由設定的求解條件可以得到淬火過程1800s內零件各部分的冷卻溫度場分布,圓柱體零件不同時刻的冷卻溫度場分布如圖3.6所示。由圖3.6（a）可以看出，在35s時工件表面迅速下降至332.8℃，心部仍保持高溫。隨著淬火時間的延長，鋼件溫度迅速下降。僅用5分鐘左右，鋼件表面就從840℃高溫降低到了27.3℃左右，心部降低到29.4℃左右。在任一時刻，零件心部溫度在整個鋼件中都是最高的，這完全符合生產實際。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從 b)ab)a) cc)d)d) e)e) 圖3.6淬火冷卻過程不同時刻的溫度分布圖a.35sb.65sc.305sd.605se.1205s3.5.3回火過程由設定的求解條件可以得到回火過程1800s內零件各部分的溫度場分布,圓柱體零件不同時刻的加熱溫度場分布如圖3.7所示。由圖3.7（a）可以看出，在30s時工件表面溫度升高到273.6℃，中心溫度為127.7℃。從圖3.7(c)可以看出在300s時，工件心部溫度有了明顯的上升，達到了595。2℃，并且中心與表面的溫度差很小。從這些圖中可以看出，在加熱過程中，工件溫度不斷上升且在任意時刻中心溫度一直低于表面溫度，這完全符合由表面到中心的加熱生產實際。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從25b)ab)a)d)d) c) f)ef)e) 圖3.7回火加熱過程不同時刻的溫度分布（單位：℃）a.30sb.60sc.300sd.600se.1200sf.1800s由設定的求解條件可以得到回火過程1800s內零件各部分的溫度場分布,圓柱體零件不同時刻的冷卻溫度場分布如圖3.8所示。圖3.8（a-f）分別為45鋼在回火冷卻過程中30s、60s、300s、600s、1200s、1500s時的溫度分布云圖。從這些圖中可以看出，溫度場的計算機模擬可以直觀形象的表現(xiàn)出45鋼在回火冷卻過程中，任意時間任意位置工件內部的溫度隨時間的變化情況。由圖3.8(a)可知，在60s時工件表面迅速下降至278.6℃，中心溫度變化也較大。從圖3.8(c)可以看出在600s時，工件整體溫度明顯下降，幾乎全部達到25℃。從這些圖中可以看出，在冷卻過程中，工件溫度不斷降低且在任意時刻中心溫度一直高于表面溫度，這完全符合實際生產。另外，隨著時間的推移，二者的溫度差也在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從600℃空冷至25℃ b)b)a) d)d)c)f)f)e)圖3.8回火冷卻過程不同時刻的溫度分布（單位：℃）a.30sb.60sc.300sd.600se.1200sf.1500s3.5.4對各點溫度隨時間變化的曲線圖分析（1）正火：分別對圖3.2所示A、B、C、D4個關鍵點進行研究,考察其加熱、冷卻溫度隨時間變化情況，具體變化趨勢如圖3.9，3.10所示。圖3.9加熱溫度與時間的關系圖3.10冷卻溫度與時間的關系由圖3.9可知各點溫度都隨時間的延長而升高，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其升溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者升溫速度相差不大；因A點位于工件中心，其升溫速度最慢；并且其它所有位置的升溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達800s時，加熱過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的升溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。由圖3.10可知各點溫度都隨時間的延長而降低，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其降溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者降溫速度相差不大；A點位于工件中心，其降溫速度最慢；并且其它所有位置的降溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達450s時，冷卻過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的降溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。（2）淬火：分別對圖3.2所示A、B、C、D4個關鍵點進行研究,考察其加熱、冷卻溫度隨時間變化情況，具體變化趨勢如圖3.11、3.12所示。圖3.11加熱溫度與時間的關系圖3.12冷卻溫度與時間的關系由圖3.11可知各點溫度都隨時間的延長而升高，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其升溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者升溫速度相差不大；A點位于工件中心，其升溫速度最慢；并且其它所有位置的升溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達800s時，加熱過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的升溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。由圖3.12可知各點溫度都隨時間的延長而降低，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其降溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者降溫速度相差不大；A點位于工件中心，其升溫速度最慢；并且其它所有位置的降溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達480s時，冷卻過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的降溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。（3）回火：分別對圖2.1所示A、B、C、D4個關鍵點進行研究,考察其加熱、冷卻溫度隨時間變化情況，具體變化趨勢如圖3.13、3.14所示。圖3.13加熱溫度與時間變化的關系由圖3.13可知各點溫度都隨時間的延長而升高，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其升溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者升溫速度相差不大；A點位于工件中心，其升溫速度最慢；并且其它所有位置的升溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達720s時，加熱過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的升溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。由圖3.14可知各點溫度都隨時間的延長而降低，只是速率不同。其中C點是工件的邊緣，其降溫速度最快；B點位于工件中心線的最頂端，A點是圓柱的中心，二者降溫速度相差不大；A點位于工件中心，其升溫速度最慢；并且其它所有位置的降溫速率都介于A點和C點之間。如果想得到其他節(jié)點溫度隨時間的變化，只需在模型中選取相應節(jié)點即可。當時間到達750s時，冷卻過程基本完成。綜上可得：工件上所有點的降溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。圖3.14冷卻溫度與時間的關系借助ANSYS有限元熱分析軟件對45鋼的熱處理工藝進行模擬計算，體現(xiàn)了ANSYS軟件在處理比較復雜的工程實際問題的簡便性，它可以大大地減少工作量和計算中的誤差,并節(jié)約了開支。但是要想達到更精準的模擬結果，我們就得在前處理的過程中，搜集到更準確的邊界條件和載荷，并且把網(wǎng)格劃分得更加的精密。利用ANSYS軟件對45鋼熱處理過程進行分析大大減少了工作量，節(jié)約了人力、物力、財力，使得出的結果更加直觀形象，有便于對45鋼的熱處理工藝進行改進。熱處理工藝對鋼鐵材料微觀組織和化學性能有很大影響，因此合理選擇熱處理工藝參數(shù)對材料性能的提高至關重要。通過求解45鋼圓柱體零件淬火過程中溫度場的分布,給出了一種不需要由實驗測量的平面及軸對稱零件淬火冷卻時溫度分布的確定方法。利用軟件的熱分析模塊對某鋼件正火、淬火、回火過程進行建模、劃分網(wǎng)格、加載及求解，得到了鋼件正火、淬火、回火過程不同時刻的溫度場以及鋼件上所選特殊點的溫度分布。模擬過程對于淬火液的選取及淬火工藝的優(yōu)化提供了參考依據(jù)，對淬火過程中的熱應力、殘余應力計算提供了溫度邊界條件，使得對熱處理工藝的制定更加完善。同時，隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，人們接受新生事物的能力不斷加強，提高自身素質掌握一種或幾種學習技能同等重要。4結論1、加熱過程中，工件側面溫度永遠大于中心溫度，并且側面的升溫速度最快，中心處升溫速度最慢，其余位置的速度介于二者之間；開始工件整體升溫速度較快，隨著時間的增加，工件整體升溫速度逐漸下降。2、冷卻過程中，工件側面溫度永遠小于中心溫度，并且側面的降溫速度最快，中心處降溫速度最慢，其余位置的速度介于二者之間；開始工件整體降溫速度較快，隨著時間的增加，工件整體降溫速度逐漸下降。3、熱處理過程中，工件中心和側面的溫度差隨著時間的延長而減少。4、工件半徑與加熱（冷卻）速度存在一定關系，半徑越大加熱（冷卻）速度越小。 參考文獻[1]夏立紅，耿長栓.防止45鋼件淬火裂紋的工藝性研究[J].鄭州輕工業(yè)學院學報（自然科學版），2003（01）：25-30.[2]趙琳.45鋼熱處理工藝及其組織性能[J].機械工程與自動化，2012（05）：203-207.[3]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M]．