材料成型及控制工程畢業(yè)論文-45鋼熱處理過程溫度場的數值模擬

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　45鋼熱處理過程溫度場的數值模擬</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　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

2、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。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 45鋼熱處理過程溫度場的數值模擬

3、 </p><p>　　1．課題意義及目標 </p><p>　　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

4、的理論依據。</p><p><b>　　2．主要任務</b></p><p>　　（1）制定45鋼熱處理工藝。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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

5、。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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。</p><p><b>　　3．主要參考資料</b></p><p>　　[1] 賴宏，劉天模

6、. 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.</p><p>　　[2] 朱圓圓，祁文軍，易挺，等. 鋼件淬火過程溫度場的數值模擬[J]. 新技術新工藝，2008，（11）：97-99.</p><p>　　[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，2007：230-308</p><

7、p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　45鋼熱處理過程溫度場的數值模擬</p><p>　　摘 要：本論文中45鋼的熱處理工藝是通過復習《金屬學與熱處理》一書中鋼的熱處理原理來制定的，并借助ANSYS 有限元軟件建立軸對稱模型，對其施加溫度載荷來模擬計算熱處理過程中某些時刻溫度場的分布以及某些特定位置溫度隨時間的變化關系。結果表明：熱處理加

8、熱過程開始時，圓柱體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，工件整體升溫速度隨著時間的增加逐漸下降；熱處理冷卻過程開始時，圓柱體側面的降溫速度最快，中心處最慢，其余位置的速度介于二者之間，另外，剛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。整個熱處理過程中，工件中心和側面的溫度差隨時間的增加而減少。</p><p>　　關鍵詞：有限元法，45鋼 ,熱處理 ,溫度

9、場</p><p>　　The heat treatment of 45 steel's temperature field simulation</p><p>　　Abstract：In this essay, 45 steel heat treatment process is through the review,author of sinosteel metallogra

10、phy and heat treatment of heat treatment principle to develop, with ANSYS finite element software axisymmetric model was established, and apply to simulation calculation at some point in the heat-treating process, distri

11、bution of the temperature field and certain position of temperature with time relationship. The results show that the heating temperature of the side face is the fastest an</p><p>　　Keywords: Finite element

12、simulation，45steel，Heat treatment,Temperature field simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前言1</b></p><p>　　1.1 研究目的及意義1</p><p>　　1.2

13、 國內外研究進展3</p><p>　　1.3 研究的內容及方法4</p><p>　　2 數值模擬技術的概述5</p><p>　　2.1 ANSYS軟件的基本原理6</p><p>　　2.2 熱處理溫度場數值模擬的基本理論7</p><p>　　3 有限元模擬過程9</p>

14、<p>　　3.1 45鋼的熱處理工藝9</p><p>　　3.2 有限元建模9</p><p>　　3.2.1 熱物性參數的選擇10</p><p>　　3.2.2 網格劃分10</p><p>　　3.3 ANSYS模擬過程11</p><p>　　3.3.1 建模11<

15、;/p><p>　　3.3.2 定義材料熱物性參數11</p><p>　　3.4 加載求解階段12</p><p>　　3.5 結果及分析12</p><p>　　3.5.1 正火過程12</p><p>　　3.5.2 淬火過程16</p><p>　　3.5.3 回

16、火過程20</p><p>　　3.5.4 對各點溫度隨時間變化的曲線圖分析24</p><p><b>　　4 結論30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><

17、p><b>　　1 前言</b></p><p>　　材料不僅是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，而且是社會發(fā)展和進步的標志。根據制造工具生產的材料歷史學家將人類生活分為石器時代、青銅時代和鐵器時代。到20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱，80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。這主要是因為材料與國民經濟建設

18、、國防建設和人民生活休戚相關。現(xiàn)今材料的品種、數量和質量已經是衡量一個國家科學技術和國民經濟水平及國防力量的最重要的因素，其中鋼鐵材料占據尤為重要的地位。</p><p>　　鋼一直從鐵器時代沿用至今，其在工業(yè)發(fā)展中有巨大的重要性。鋼材是合金機構材料中尤其重要，45鋼是使用最頻繁的鋼材之一，由于其綜合性能較好，機械、醫(yī)療和日常生活等各個領域廣泛使用，尤其是在機械制造方面，廣泛用于各種重要的結構零件，比如那些在交變

19、負荷下使用的連桿、螺栓、汽車拖拉機半軸和柴油機零件等。</p><p>　　因此，研究鋼的熱處理對改進鋼的性能有著積極重要的作用和意義，鋼材熱處理方面的探索和前進定會促進社會的進步以及推動21世紀全球高速發(fā)展的步伐，必將引領一場空前絕后的工業(yè)大潮。</p><p>　　1.1 研究目的及意義</p><p>　　熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，

20、通過改變材料表面或內部的金相組織結構來控制其性能的一種金屬熱加工工藝[1]。熱處理工藝有時只有加熱和冷卻兩個過程，加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，后來應用液體和氣體燃料。電的應用不僅使加熱易于控制，且不會對環(huán)境造成污染。利用這些熱源可以直接進行加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，借助浮動粒子進行間接加熱。 　　</p><p>　　金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)

21、生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能會產生很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或熔融鹽中、保護氣氛中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。 　　</p><p>　　加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質量的主要標志。加熱溫度因被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一段的時

22、間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般不需要保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長[2]。 　　</p><p>　　冷卻也是熱處理工藝過程中必不可少的步驟，因制定的熱處理工藝不同冷卻方法也會不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度最快，淬火的冷卻速

23、度更快。熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一，它不僅能提高零件的使用性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長零件的使用壽命，而且還可以改善工件的工藝性能，提高加工質量，減少刀具磨損。為了體現(xiàn)45鋼最佳的綜合性能，必須制定合理的熱處理工藝。常用的熱處理工藝主要有正火、淬火、回火等，影響其熱處理工藝的因素主要有加熱溫度、保溫時間、冷卻速度等。</p><p>　　45鋼既是中碳結構鋼，又是優(yōu)質碳素結構用鋼，冷熱加工

24、性能都不錯，機械性能較好，且價格低、來源廣，所以應用廣泛。它的最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用[2]。但其硬度不高，易切削加工，模具中常用來做模板、梢子、導柱等，但是機加工前必須預先經過熱處理[3]。但其強度較高，塑性和韌性尚好，用于制作承受負荷較大的小截面調質件和應力較小的大型正火零件，以及對心部強度要求不高的表面淬火零件，如曲軸、傳動軸、齒輪、蝸桿、鍵、銷等[4]。水淬時有形成裂紋的傾向，形狀復雜的零件應在熱

25、水或油中淬火；焊接性差[5]。45鋼在淬火后沒有回火前，硬度大于HRC55（最高可達HRC62）為合格。GB/T699-1999標準規(guī)定45鋼抗拉強度為≥600Mpa,屈服強度為≥355MPa，伸長率為≥16%，斷面收縮率為≥40%，沖擊功為≥39J。45鋼的化學成分及不同國家的45鋼鋼號如表1.1和表1.2所示。</p><p>　　表1.1 45鋼的化學成分</p><p>　　表1

26、.2 不同國家對45鋼鋼號的表示</p><p>　　1.2 國內外研究進展</p><p>　　近年來，鋼制零件的表面熱處理,大多采用傳統(tǒng)的高頻或中頻感應加熱淬火。之后一般還要進行磨削加工,以獲得所要求的尺寸精度、形狀精度和表面質量。多年來，國外熱處理技術發(fā)展很快，包括可控氣氛熱處理、真空熱處理、離子熱處理、新型化學熱處理、高能率熱處理以及電子計算機在熱處理中的應用等，此外，節(jié)能、節(jié)

27、材的工藝和設備也在不斷地發(fā)展。建國以來，我國的熱處理技術也有了很大的發(fā)展，現(xiàn)有熱處理生產廠點一萬余家，熱處理加熱設備十萬多臺，年生產能力660多萬噸鋼件，年產值約50億元[6]。</p><p>　　目前我國在熱處理的基礎理論研究和某些熱處理新工藝研究方面，與工業(yè)發(fā)達國家的差距不大，但在熱處理設備和實際生產水平方面卻存在著較大的差距，還沒有完全扭轉熱處理工藝和熱處理設備落后、氧化脫碳嚴重、產品質量差、生產效率低、

28、能耗大、成本高、污染嚴重的局面。</p><p>　　1999年，尤顯卿教授綜合論述了如何正確制定45鋼熱處理工藝，防止淬火開裂[7]。45鋼件在淬火處理時，易出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象；2003年，夏立紅、耿長栓通過研究表明：45鋼件在830℃～850℃×1.1 min／mm～l. 2 min／mm的加熱和保溫條件下，淬入清水或10％的鹽水中易出現(xiàn)裂紋；而采取加大工藝預留量(13 mm～14mm)、避開危險尺寸(4

29、 mm～12mm)、低溫(750℃～760℃)淬火、控制加熱溫度(780℃～790℃)以及保溫時間和回火時間等措施，可有效防止45鋼件淬火時出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象[1]。2004年，太鋼六軋廠的劉愛國、李杰工程師通過對優(yōu)質碳素鋼45鋼球化退火工藝的分析和研究，找出影響45鋼球化的主要因素，改進了退火工藝，提高了45鋼球化合格率，滿足了用戶需求[8]。這年期間鄧楚平通過對45鋼、40Cr鋼調質熱處理新工藝研究試驗發(fā)現(xiàn)，經過新工藝處理后的工具綜合性能

30、與傳統(tǒng)工藝處理的大體相當，但新工藝具有縮短保溫時間，節(jié)約能源，降低生產成本，并改善工具表面耐磨性和內部組織性能等優(yōu)點[9]。2007年邊晉榮工程師就45鋼熱處理淬火裂紋控制[10]進行了研究實驗，對淬火裂紋產</p><p>　　為促進我國熱處理技術的發(fā)展，我們應全面了解國內外熱處理技術的現(xiàn)狀和水平，掌握其發(fā)展趨勢，大力發(fā)展先進的熱處理新技術、新工藝、新材料、新設備，用高新技術改造傳統(tǒng)的熱處理技術，實現(xiàn)“優(yōu)質、高

31、效、節(jié)能、降耗、無污染、低成本、專業(yè)化生產”。加強熱處理的基礎理論研究，大力發(fā)展多參數熱處理和復合熱處理工藝，采用新的加熱源和新的加熱方式，采用新的淬火介質和改進淬火方法。</p><p>　　1.3 研究的內容及方法</p><p>　　1、查閱相關文獻和復習《金屬學與熱處理》一書，掌握鋼的熱處理原理，為45鋼制定適當的熱處理工藝。</p><p>　　2、學習

32、《ANSYS10.0自學手冊》，了解ANSYS軟件，熟悉該軟件的基本操作，掌握ANSYS軟件計算熱處理過程溫度場的方法。</p><p>　　3、根據所制定的45鋼熱處理工藝，用ANSYS軟件模擬計算鋼件熱處理過程不同時刻的溫度場分布及某些特定位置溫度隨時間的變化關系。</p><p>　　4、對所得數據進行整理及分析。</p><p>　　分析熱處理過程溫度場分布

33、對45鋼組織和力學性能的影響。</p><p>　　2 數值模擬技術的概述</p><p>　　數值模擬（計算機模擬）是借助計算機來研究復雜現(xiàn)象的一種近似求解的數學方法，通俗的來說就是用計算機來做實驗。數值模擬技術可以對熱處理工藝實現(xiàn)安全評估、預測熱處理工藝是否滿足所要的微觀組織、晶粒大小的要求、有效反應熱處理過程溫度場及組織場的變化規(guī)律。目前，由于等各種學科不斷融合與發(fā)展，使數值模擬技

34、術在熱處理領域得到廣泛應用。</p><p>　　有限元法作為目前應用最廣泛的數值模擬方法，由于其特有的計算優(yōu)勢得到了廣泛的應用，并因此產生了很多通用的有限元商業(yè)軟件。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學多物理場于一體的大型通用有限元分析軟件，主要包括3個部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。熱分析是AN SYS軟件分析功能中的一個模塊。ANSYS進行熱分析的基本原理是先將所處理的對象劃分成有限個單元（

35、包含若干節(jié)點) ，然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的熱平衡方程，由此計算出各節(jié)點溫度，繼而進一步求解出其他相關量[15]。ANSYS軟件的熱分析 功能主要包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、熱輻射、相變、熱應力等，以及與熱有關的藕合場分析閉。通過查閱書籍和參考文獻等資料得知45鋼的正火、淬火、回火過程均屬于熱分析中的瞬態(tài)熱分析。ANSYS主操作窗口和隱藏的信息輸出窗口如圖2.1和圖2.2所示。</p>&

36、lt;p>　　圖2.1 ANSYS主操作窗口</p><p>　　圖2.2 ANSYS隱藏的信息輸出窗口</p><p>　　2.1 ANSYS軟件的基本原理</p><p>　　ANSYS進行熱分析計算基本原理是首先把模型劃分成有限元單元，然后根據能量守恒第一定律求解在一定初始條件和邊界條件下每個單元的熱平衡方程，計算出各單元的溫度值，求解溫度場分布或

37、其他相關量[10]。原則上來說單元劃分的越細小，模擬出來的結果就越精確，但是單元劃分的太細會增加計算量，影響運算速度。一般在溫度變化劇烈的局部網格劃分的密一些，其他部位可以劃分的簡單一點。這樣不但提高了模擬精度也提高了運算速度[11]。</p><p>　　ANSYS有限元軟件在溫度場的模擬過程中,很好地結合了材料變溫過程中材料熱物性參數的變化, 特別適用于鋼件淬火過程溫度場的準確計算。通過利用ANSYS有限元分

38、析軟件對幾何外形復雜的45鋼零件淬火過程溫度場進行有限元模擬,得到了零件溫度隨淬火時間的分布關系[7]。模擬結果與實際過程一致,且運算速度較快,適用于淬火液的選取及淬火工藝的優(yōu)化,并為精確計算淬火過程中的熱應力、殘余應力做好了準備工作[4]。ANSYS軟件熱分析基礎符號和國際單位如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 熱分析基礎單位</p><p>　　2.2 熱處理溫度場數值模

39、擬的基本理論</p><p>　　溫度是涉及所有熱處理過程的基本參數，它的分布影響零件的應力場和組織場，它是影響熱處理數值模擬計算準確性的關鍵，因此溫度場的模擬是熱處理過程數值模擬的最主要的內容。為了保證溫度場數值模擬的準確性，在溫度場計算模型中必須考慮初始條件、邊界條件、材料熱物性參數非線性等因素對溫度場模擬的影響。</p><p>　　溫度場是在不同時刻物體內部各點溫度分布的總稱。溫度

40、場分為穩(wěn)態(tài)溫度場與非穩(wěn)態(tài)溫度場。穩(wěn)態(tài)溫度場各點的溫度不隨時間的變化而改變。非穩(wěn)態(tài)溫度場內各點的溫度隨時間的變化而改變，它是坐標與時間的函數。</p><p>　　本論文對熱處理過程溫度場的傳熱理論及模型進行了研究。在熱處理加熱或冷卻過程中，工件內部的熱量是以熱傳導方式傳遞的，工件表面主要是通過介質與鋼件表面的熱對流傳遞熱量。雖然不同的學者建立的數學模型和處理方法不一樣，但其數學物理基礎是一致的?？紤]到工件為圓柱體

41、，為了方便簡化，采用圓柱體的半個截面來進行研究。本論文采用的軸對稱傳熱溫度場控制微分方程為</p><p><b>　　式中，為密度</b></p><p><b>　　為比熱容</b></p><p><b>　　為導熱系數</b></p><p><b>　　為相

42、變潛熱</b></p><p><b>　　為傳熱時間</b></p><p>　　這些參數中、都隨溫度變化而變化。</p><p>　　3 有限元模擬過程</p><p>　　3.1 45鋼的熱處理工藝</p><p>　　45鋼的普通熱處理工藝可分為正火、退火、淬火和回火四種。

43、</p><p>　　正火是將鋼件加熱至臨界溫度以上30℃-50℃，保溫適當時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的主要目的是細化組織，改善鋼的性能，獲得接近平橫狀態(tài)的組織。</p><p>　　退火是將鋼加熱至臨界點以上或以下溫度，保溫后隨爐緩慢冷卻以獲得接近于平衡狀態(tài)的組織。其主要用途是均勻鋼的化學成分及組織，調整硬度，消除內應力和加工硬化，并為淬火做好準備。</p>&

44、lt;p>　　淬火是將鋼加熱至Ac3(亞共析鋼)或Ac1(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。</p><p>　　回火是將淬火鋼在一定下溫度加熱，使其轉變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當的方式冷卻至室溫的工藝過程。其主要目的是改善鋼的塑韌性，減小或消除淬火應力。</p>

45、;<p>　　現(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鋼的熱處理工藝曲線如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 熱處理工藝曲線 </p&g

46、t;<p>　　3.2 有限元建模</p><p>　　3.2.1 熱物性參數的選擇 </p><p>　　熱物性參數主要是指導熱系數 、密度 和定壓比熱。一般來說熱處理數值模擬用到的熱物性參數不是常數，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。但對于常見的材料，我們可以

47、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鋼的換熱系數與溫度關系如圖3.2所示。</p><p>　　表3.1 45鋼的比熱容熱導率與溫度關系</p><p>　　表3.2 45鋼的換熱系數與溫度關系</p><p>　　3.2.2 網格劃分 </p><p&g

48、t;　　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、換熱系數、密度等熱物性參數隨時間的變化而改變，因而在模擬過程中形成數據震蕩。對于瞬態(tài)問題的溫度場，我們一般采用局部網格加密化法來解決這一問題。局部網格細化，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值

49、振蕩，應該對這些區(qū)域進行局部網格細化．劃分網格的方式有很多種，本次模擬以盡可能的獲得小正方形的標準劃分網格。具體劃分是豎直方向劃分60等份，水平方向劃分30等份。</p><p>　　3.3 ANSYS模擬過程</p><p>　　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

50、其由室溫25℃加熱到600℃，保溫一段時間后空冷至室溫；用ANSYS軟件模擬不同時間圓柱體內溫度場分布以及在不同的關鍵點處溫度隨時間的變化。</p><p><b>　　3.3.1 建模</b></p><p>　　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

51、維模型如圖3.2所示。在建模過程中， 以m為單位。</p><p>　　3.3.2 定義材料熱物性參數</p><p>　　淬火45鋼的密度與溫度變化關系不是很大，按常數處理，對最后結果影響不大。而對比熱容、熱導率、換熱系數等這些溫度影響較大的熱物性參數，由于這些參數是溫度和相變組織成分的函數，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看作恒量顯然是不合理

52、的。因此比熱容、熱導率必需看成是溫度的函數[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鋼的換熱系數與溫度的關系如表3.2所示。</p><p>　　3.4 加載求解階段</p><p>　　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

53、程對流邊界的對流系數1000，并設置初始溫度為840℃，最終加熱溫度為25℃，同時設置最終時間為1800s。</p><p>　　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1000，并設置初始溫度為840℃，最終加熱溫度為25℃，同時設置最終時間為1800s。</p&g

54、t;<p>　　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500，并設置初始溫度為600℃，最終加熱溫度為25℃，同時設置最終時間為1500s。</p><p>　　3.5 結果及分析</p><p>　　3.5.1 正火過程<

55、;/p><p>　　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。</p><p>　　圖3.3 正火加熱過程不同時刻的溫度場分布（單位：℃）</p><p>　　a.30s b.60s c.300s d.600s e.1200s f.1800s</p&g

56、t;<p>　　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25℃

57、加熱至840℃至少需要30分鐘，一個小時就可以使溫度達標。</p><p>　　2.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。</p><p>　　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.

58、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℃空冷至25℃至少需要25分鐘才可以使溫度達標。</p><p>　　圖3.4 正火冷卻過程不同時刻的溫度場分布（單位：℃）</p><p>　　a.35s b.65s

59、c.305s d.605s e.1205s</p><p>　　3.5.2 淬火過程</p><p>　　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。</p><p>　　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

60、(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℃加熱至840℃至少需要40分鐘。</p><p>　　圖 3.5 淬火加熱過程不同時刻的溫度分布（單位：℃）</p>

61、;<p>　　a.30s b.60s c.300s d.600s e.1200s f.1800s</p><p>　　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。</p><p>　　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

62、，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840℃水冷至25℃時只需15分鐘，表明水冷的效果非常明顯。得到的鋼件表面淬透性最大，鋼件耐磨損，機械性能表面硬度較高，心部硬度較低，沖擊韌性較好。但是，冷卻速度不

63、均勻會產生熱應力。</p><p>　　圖3.6 淬火冷卻過程不同時刻的溫度分布圖</p><p>　　a.35s b.65s c.305s d.605s e.1205s</p><p>　　3.5.3 回火過程</p><p>　　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

64、溫度場分布如圖3.7所示。</p><p>　　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

65、在逐漸縮小。對于半徑0,.03m，高0.06m的45鋼工件從25℃加熱至600℃僅僅需要30分鐘。</p><p>　　圖3.7 回火加熱過程不同時刻的溫度分布（單位：℃）</p><p>　　a.30s b.60s c.300s d.600s e.1200s f.1800s</p><p>　　由設定的求解條件可以得到回火過程 1800s內零件各部分的

66、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。</p><p>　　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

67、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℃時只需25分鐘，表明空冷的效果非常明顯。</p><p>　　圖3.8 回火冷卻過程不同時刻的溫度分布

68、（單位：℃）</p><p>　　a.30s b.60s c.300s d.600s e.1200s f.1500s</p><p>　　3.5.4 對各點溫度隨時間變化的曲線圖分析</p><p>　?。?）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。</p

69、><p>　　圖3.9 加熱溫度與時間的關系</p><p>　　圖3.10 冷卻溫度與時間的關系</p><p>　　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</p><p>　　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

70、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。</p><p>　　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，

71、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。</p><p>　?。?）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。</p>

72、<p>　　圖3.11 加熱溫度與時間的關系</p><p>　　圖3.12 冷卻溫度與時間的關系</p><p>　　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

73、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。</p><p>　　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

74、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。</p><p>　?。?）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。</p><p>　　圖3.13 加熱溫度與時間變化的

75、關系</p><p>　　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

76、時間的增加而逐漸減小。</p><p>　　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

77、有點的降溫速率都隨時間的增加而逐漸減小。</p><p>　　圖3.14 冷卻溫度與時間的關系</p><p>　　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，并且把網格劃

78、分得更加的精密。</p><p>　　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

79、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 ，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。</p><p

80、><b>　　4 結論</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

81、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

82、p>　　[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</p><p>　　然科學版），2003（01）：25-30.　　　　　　　　　　　　　　　　 </p><p>　　[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.</p>&

83、lt;p>　　[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，2007：230-308．</p><p>　　[4] 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，</p><p>　　26（03）：82-84．</p><p>　　[5] 溫詩鑄．摩擦學原理[M]．清華大學出版社，1991：193-2

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85、><p><b>　　77-78．</b></p><p>　　[9] 鄧楚平. 45鋼、40Cr鋼調質熱處理新工藝研究[J]．湖南有色金屬，2004（06）：</p><p><b>　　25－27．</b></p><p>　　[10] 邊晉榮．45鋼熱處理淬火裂紋控制[J].機械管理開發(fā)，20

86、07，8（04）：105-106．</p><p>　　[11] 徐祖耀．鋼熱處理的新工藝[J]. 熱處理，2007，22（01）：1-4．</p><p>　　[12] 劉孜文．45鋼普通熱處理組織與性能研究[J].商品與質量，2013，（02）：85．</p><p>　　[13] 裴廣州．45鋼亞溫淬火工藝對組織性能影響的研究[J].能源與節(jié)能，2014，（0

87、5）：</p><p><b>　　164-166．</b></p><p>　　[14] 馬慶芳.實用熱物理性質手冊[M].機械工業(yè)出版社，1999；658-660. </p><p>　　[15] 張建峰，王翠玲，吳玉萍，等. ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用[J].冶</p><p>　　金能源，2004，

88、23（05）：9-10.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次課題研究是在導師的親切關懷和悉心指導下完成的。</p><p>　　經過一個學期的忙碌，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，在此，我要感謝每一個幫助過我的人。 </p><p>　　首先,我要感謝的是我的指導老師婁菊紅，婁老師平日里工作

89、繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，都給予我悉心的指導和幫助?？梢哉f，沒有老師的悉心指導和幫助，我是不可能順利完成我的畢業(yè)設計的。另外，她的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。其次我要感謝的是太原工業(yè)學院以及太原工業(yè)學院的每一位老師和大學以來認識的每一位同學，謝謝太原工業(yè)學院給我提供的良好的學習環(huán)境，謝謝你們給予我的幫助和支持。最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位