材料成型及控制工程畢業(yè)論文-t12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　T12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬</p><p><b>　　誠(chéng)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(dǎo)教師的指

2、導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： T12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

3、 </p><p>　　1．課題意義及目標(biāo) </p><p>　　學(xué)生應(yīng)通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，運(yùn)用所學(xué)過的金屬學(xué)及熱處理等專業(yè)知識(shí)，了解T12鋼的概況、鋼的熱處理原理和熱處理工藝；熟悉T12鋼的熱處理工藝方法；熟悉ANSYS軟件；掌握ANSYS軟件計(jì)算熱處理過程溫度場(chǎng)的方法，為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的

4、理論依據(jù)。</p><p><b>　　2．主要任務(wù)</b></p><p>　　（1）制定T12鋼熱處理工藝。</p><p>　?。?）模擬計(jì)算熱處理加熱過程某些時(shí)刻溫度場(chǎng)的分布及某些特定位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。</p><p>　?。?）模擬計(jì)算熱處理冷卻過程某些時(shí)刻溫度場(chǎng)的分布及某些特定位置溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

5、。</p><p>　?。?）分析熱處理過程溫度場(chǎng)分布對(duì)T12鋼組織和力學(xué)性能的影響。</p><p>　?。?）撰寫畢業(yè)論文。結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯(cuò)別字和錯(cuò)誤標(biāo)點(diǎn)符號(hào)；格式符合太原工業(yè)學(xué)院學(xué)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] 劉旭麟，高

6、路斯，劉順華，等.T8鋼淬火熱處理組織的計(jì)算機(jī)模擬研究[J]. 熱加工工藝，2006，35（6）：44-46.</p><p>　　[2] 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(yīng)用[J].冶金能源，2004，（05）：9-13.</p><p>　　[3] 朱圓圓，祁文軍，易挺，等. 鋼件淬火過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 新技術(shù)新工藝，2008，（11）：97

7、-99.</p><p>　　[4] 崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2007：230-308</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　審核人： 2015 年 1 月 16 日</p><p>　　T12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬<

8、;/p><p>　　摘 要：本文采用ANSYS有限元軟件，建立了T12鋼有限元模型，對(duì)T12鋼熱處理過程的二維軸對(duì)稱溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算，得到了T12鋼熱處理過程不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布和鋼件上所選特定點(diǎn)溫度分布。結(jié)果表明溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬可以快速準(zhǔn)確的獲得任意時(shí)間任意位置工件內(nèi)部的溫度隨時(shí)間的變化情況。盡管本文對(duì)相變潛熱忽略和數(shù)值計(jì)算模型本身就有的誤差，使溫度場(chǎng)模擬結(jié)果存在一定的誤差，但模擬出來的溫度場(chǎng)變化規(guī)律是合理

9、的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：T12鋼，熱處理，溫度場(chǎng)，有限元模擬</p><p>　　Numerical Simulation of Temperature Field in Heat Treatment Process of T12 Steel</p><p>　　Abstract：In this paper, field element model are

10、 built and two dimensional axis-symmetric temperature field in the process of heat treatment of T12 Steel is simulated with finite element software of ANSYS. The temperature field at different moments and temperature dis

11、tribution of selected special points are obtained. The simulation results show that the change of temperature over time of internal position of the T12 steel can quickly and accurately obtain. There are some errors in te

12、mperature fie</p><p>　　Keywords: T12steel, Heat treatment, Temperature field, Finite element simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前言1</b></p>

13、;<p>　　1.1 研究目的及意義1</p><p>　　1.2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展2</p><p>　　1.3 本文研究的內(nèi)容2</p><p>　　1.4 本章小結(jié)3</p><p>　　2 有限元法概述4</p><p>　　2.1 數(shù)值模擬的基本概述4&

14、lt;/p><p>　　2.2 ANSYS有限元軟件4</p><p>　　2.2.1 ANSYS的概述5</p><p>　　2.2.2 ANSYS的功能5</p><p>　　2.2.3 ANSYS的用戶界面7</p><p>　　2.2.4 ANSYS分析的基本過程8</p><

15、;p>　　2.3 溫度場(chǎng)計(jì)算基本原理 9</p><p>　　2.3.1 溫度場(chǎng)9</p><p>　　2.3.2 溫度場(chǎng)控制方程9</p><p>　　2.3.3 初始條件和邊界條件9</p><p>　　2.3.4 熱物性參數(shù)的選擇和相變潛熱的處理10</p><p>　　2.3.5 瞬態(tài)

16、非線性溫度場(chǎng)的求解10</p><p>　　2.4 本章小結(jié)11</p><p>　　3 碳素工具鋼及其熱處理工藝研究12</p><p>　　3.1 碳素工具鋼12</p><p>　　3.2 熱處理簡(jiǎn)介和碳素工具鋼的熱處理12</p><p>　　3.3 T12鋼的熱處理工藝13</p&

17、gt;<p>　　3.3.1 T12鋼的物性參數(shù)13</p><p>　　3.3.2 T12鋼的熱處理工藝14</p><p>　　3.4 本章小結(jié)15</p><p>　　4 有限元模擬過程16</p><p>　　4.1 有限元建模16</p><p>　　4.2 有限元模擬具體

18、步驟16</p><p>　　4.3 結(jié)果與分析22</p><p>　　4.3.1 球化退火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析22</p><p>　　4.3.2 淬火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析25</p><p>　　4.3.3 回火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析28</p><p>　　4.4 本章小節(jié)30</p&

19、gt;<p><b>　　5 結(jié)論31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　碳素工具鋼資源豐富

20、、易于鍛造成形、切削加工性能好、原料來源方便、便于回收利用，經(jīng)熱處理后能夠得到高的硬度和高的耐磨性。在近代工業(yè)中，碳素工具鋼是使用最早、用量最大的金屬材料。全球諸多工業(yè)國(guó)家，在努力提高低合金高強(qiáng)度鋼和合金鋼產(chǎn)量的同時(shí)，也高度關(guān)注改進(jìn)碳素鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能，擴(kuò)展其品種和應(yīng)用領(lǐng)域。目前，碳素鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的80%左右，它不僅廣泛應(yīng)用于路橋、軌道交通、汽車、船舶、建筑、軍工和機(jī)械制造工業(yè)，而且在近代的海洋幵發(fā)、航天工程等方面也得到廣泛使用

21、。</p><p>　　1.1 研究目的及意義</p><p>　　在近代工業(yè)中，碳素工具鋼是使用最早、用量最大的金屬材料。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)碳素工具鋼零件的性能和可靠性要求越來越高。碳素工具鋼零件的內(nèi)在性能和可靠性除了與材料成分特性有關(guān)外，更是與其熱處理工藝方式密不可分。合理的熱處理工藝可以有效的優(yōu)化零件內(nèi)部組織分布、控制晶粒尺寸、改善應(yīng)力狀態(tài)，從而更好的發(fā)揮碳素工具鋼的潛

22、力，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。由此可見在現(xiàn)代工業(yè)中熱處理具有十分重要的地位。</p><p>　　在熱處理過程中，溫度是涉及所有熱處理工藝過程的基本參數(shù)。溫度的變化直接決定工件內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)及熱處理后工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力[1]。因此在熱處理過程中對(duì)零件的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。在理論上對(duì)溫度場(chǎng)的解析是很困難的，甚至于是不可能的。采用物理模擬方法對(duì)溫度場(chǎng)模擬進(jìn)行研究也存在很大的局限性。因此借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，應(yīng)用

23、數(shù)值模擬的方法對(duì)熱處理過程溫度場(chǎng)的研究具有十分重要的意義。目前常用作數(shù)值模擬的有限元軟件主要有NASTRAN、ASKA?ANSYS、COSMAP等，大多數(shù)的模擬結(jié)果都得到了實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的支持，取得了非常好的成果。在這些有限元軟件中，ANSYS軟件不僅可以將熱處理過程動(dòng)態(tài)、逼真的模擬出來，還可以清晰直觀的顯示熱處理過程任意時(shí)刻、任意節(jié)點(diǎn)的溫度分布[2]。因此本文采用ANSYS軟件對(duì)T12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。</p>

24、<p>　　1.2 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展</p><p>　　早期人們采用人工測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)判斷或兩者相結(jié)合來研究熱處理過程的溫度場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的日益發(fā)展，人們開始采用數(shù)值模擬來對(duì)熱處理過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，并取得了很大的進(jìn)展。</p><p>　　國(guó)外在溫度場(chǎng)計(jì)算方面的研究起步較早，19世紀(jì)70年代左右己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算；隨后，在熱處理過

25、程溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中開始考慮相變潛熱釋放、對(duì)流換熱系數(shù)的選取和熱物理性參數(shù)等非線性因素[3]。21世紀(jì)以后，國(guó)內(nèi)外公司和學(xué)者先后開發(fā)了HEARTS、SYSWELD、DEFORM、DANTE、Thermal Prophet、ABAQUS、ANSYS、MARC 等大型有限元軟件。這些軟件廣泛應(yīng)用于熱處理的正火、退火、淬火、回火、滲碳滲氮、感應(yīng)加熱及金屬再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象中的數(shù)值模擬。</p><p>　　我國(guó)開展熱

26、處理數(shù)值模擬工作比較晚，首先是一些學(xué)者和留學(xué)生開始了這方面的研究[4]。二十世紀(jì)八十年代后，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，公司開始陸續(xù)開展研究工作；殷雯等通過求解碳鋼零件淬火過程溫度場(chǎng)的分布，得出了一種不需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平面及軸對(duì)稱零件淬火冷卻時(shí)溫度分布的確定方法[5]；朱圓圓等采用ANSYS對(duì)45鋼淬火過程溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出了淬火時(shí)45鋼應(yīng)選用的合理淬火介質(zhì)以及淬火的時(shí)間控制[6]。</p><p>　　目前數(shù)值模擬不僅

27、能對(duì)熱處理溫度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、逼真的模擬，它還可以預(yù)測(cè)工藝結(jié)果是否符合組織、性能要求，進(jìn)行安全評(píng)估等。利用數(shù)值模擬不僅可以對(duì)現(xiàn)行工藝進(jìn)行校核，而且可以優(yōu)化工藝方案和參數(shù)，從而使熱處理工藝的制定建立在更可靠的科學(xué)基礎(chǔ)上。通過各國(guó)學(xué)者的不斷努力熱處理溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬將不斷完善并走上實(shí)用化。</p><p>　　1. 3 本文研究的內(nèi)容</p><p>　　本文以T12鋼為代表的碳素工具鋼為研究對(duì)象

28、，利用有限元軟件ANSYS，模擬熱處理過程中T12鋼的溫度場(chǎng)。在熱處理過程中溫度是基本的參數(shù)，它對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸有著重要的影響，因此在設(shè)計(jì)和加工過程中要充分考慮溫度這個(gè)因素。可見對(duì)熱處理過程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬具有重要的工程實(shí)際意義。本文主要進(jìn)行以下幾方面工作：</p><p>　　1) 了解碳素工具鋼和熱處理規(guī)范，能夠制定出T12鋼合理的熱處理工藝。</p><p>　　2) 介紹了有限

29、元軟件ANSYS和其熱分析功能，并簡(jiǎn)述了數(shù)值模擬技術(shù)和有限單元法。</p><p>　　3) 根據(jù)傳熱學(xué)和熱力學(xué)第一定理等基本原理,建立了軸對(duì)稱溫度場(chǎng)的微分方程，并討論了熱處理過程的初始條件和邊界條件。</p><p>　　4) 討論了瞬態(tài)溫度場(chǎng)非線性的求解和相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響，并討論熱處理過程中工件表面的綜合換熱系數(shù)的選擇。</p><p>　　5) 建立T1

30、2鋼二維溫度場(chǎng)有限元模型，并在模型中考慮了材料非線性的影響。</p><p>　　6) 對(duì)制定的T12鋼熱處理工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并分析熱處理過程溫度場(chǎng)分布對(duì)T12鋼組織和力學(xué)性能的影響。</p><p>　　溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于,根據(jù)對(duì)熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬,可以為熱處理加熱和冷卻的時(shí)間提供參考,并為合理選擇加熱參數(shù)提供了理論依據(jù)?，F(xiàn)在的好多文獻(xiàn)都是研究淬火過程，對(duì)其他熱

31、處理工藝數(shù)值模擬研究很少，本文對(duì)除淬火外熱處理工藝的研究為其他學(xué)者提供了一個(gè)參考。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)研究本課題的目的、意義和國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的綜述，最后確定本文的研究?jī)?nèi)容。</p><p><b>　　2 有限元法概述</b></p>

32、<p>　　2.1 數(shù)值模擬的基本概述</p><p>　　數(shù)值模擬[7]（計(jì)算機(jī)模擬）是借助計(jì)算機(jī)來研究復(fù)雜現(xiàn)象的一種近似求解的數(shù)學(xué)方法，通俗的來說就是用計(jì)算機(jī)來做實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以對(duì)熱處理方式實(shí)現(xiàn)安全評(píng)估、預(yù)測(cè)熱處理方式是否滿足所要的微觀組織、晶粒大小的要求、有效反應(yīng)熱處理過程溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。目前，由于等各種學(xué)科不斷融合與發(fā)展，使數(shù)值模擬技術(shù)在熱處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。</p>

33、<p>　　數(shù)值模擬主要有建立描述問題的數(shù)學(xué)模型、查找解決問題的高準(zhǔn)確度和高效率的計(jì)算方法、編寫程序進(jìn)行計(jì)算、對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析等幾個(gè)步驟[8]。</p><p>　　數(shù)值模擬經(jīng)常使用的方法有有限元差分法、有限元法、邊界元法等。過去大都采用有限元差分法，但是它只是單純的考慮了節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，在處理復(fù)雜的問題時(shí)有很大的局限性[9]。目前國(guó)內(nèi)外采用有限元法，因?yàn)樗€考慮了單元內(nèi)的變化及單元間的相

34、互作用，這樣會(huì)使數(shù)值模擬的結(jié)果更精確。</p><p>　　有限單元法一般用于數(shù)理方程問題的求解計(jì)算[10]。早期有限單元法融合了計(jì)算數(shù)學(xué)、彈性理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)所涉及的相關(guān)理論。因?yàn)橛邢拊ň哂锌焖?、靈活、有效性等特點(diǎn)，因此有限單元法很快發(fā)展成為求解各領(lǐng)域數(shù)理方程問題的一種近似的通用計(jì)算方法[11]。</p><p>　　有限單元法把求解區(qū)域分成若干個(gè)單元，每個(gè)單元在節(jié)點(diǎn)處互相鏈接 ，從

35、所建立的模型中可以看出方程的分片近似解。由于有限單元法它可以把模型分割成很細(xì)的網(wǎng)格，所以它可以適應(yīng)復(fù)雜多變的邊界條件、幾何輪廓、材料特性等問題。</p><p>　　目前著名的有限元軟件有：ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP 等。以 ANSYS 為代表有限元軟件，融合了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的核心研究成果，將計(jì)算機(jī)繪圖與有限元分析方法融合[12]。這些使ANSYS成為現(xiàn)代社會(huì)解決工程實(shí)際問題的主要工具。

36、現(xiàn)在ANSYS可以求解由板、殼、塊體、桿、梁等各類單元構(gòu)成的塑性、彈塑性問題及求解各類場(chǎng)的分布問題，例如組織場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)問題，特別的是對(duì)溫度場(chǎng)分布問題的解決。</p><p>　　2.2 ANSYS有限元軟件</p><p>　　2.2.1 ANSYS的概述</p><p>　　ANSYS軟件[13]是國(guó)際上第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的

37、大型有限元分析設(shè)計(jì)軟件。它把結(jié)構(gòu)學(xué)、熱學(xué)、流體學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等匯聚于一體，在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前ANSYS還在不斷的發(fā)展，其功能正在日益完善。它現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格分析等功能。雖然ANSYS軟件的功能強(qiáng)大，但其操做很符合人性化，這也是它的一大優(yōu)點(diǎn)。如圖2.1既為ANSYS主操作窗口和隱藏的信息輸出窗口。</p><p>　　

38、圖2.1 ANSYS主操作窗口和隱藏的信息輸出窗口</p><p>　　2.2.2 ANSYS的功能</p><p>　　利用ANSYS軟件可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析和耦合場(chǎng)分析。本課題主要分析熱處理過程溫度場(chǎng)分布，即主要使用ANSYS軟件的熱分析功能。熱分析[14]是在程序控制溫度下測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。下面詳細(xì)介紹熱分析。</p>

39、<p>　　ANSYS熱分析的基本原理</p><p>　　ANSYS進(jìn)行熱分析計(jì)算基本原理[15]是首先把模型劃分成有限元單元，然后根據(jù)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(gè)單元的熱平衡方程，計(jì)算出各單元的溫度值，求解溫度場(chǎng)分布或其他相關(guān)量。</p><p>　　原則上來說單元?jiǎng)澐值脑郊?xì)小，模擬出來的結(jié)果就越精確。但是單元?jiǎng)澐值奶?xì)會(huì)增加計(jì)算量，影響運(yùn)算速度。一般在

40、溫度變化劇烈的局部網(wǎng)格劃分的密一些，其他部位可以劃分的簡(jiǎn)單一點(diǎn)[16]。這樣不但提高了模擬精度也提高了運(yùn)算速度。</p><p>　　2） ANSYS熱分析分符號(hào)與單位</p><p>　　熱分析中基本符號(hào)及國(guó)際單位見表2.1所示。</p><p>　　表2.1 熱分析基礎(chǔ)單位</p><p>　　3） ANSYS熱分析分類</p&g

41、t;<p>　　ANSYS熱分析分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱是系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化，瞬態(tài)傳熱是系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化有顯著的變化。</p><p>　　4 ） 熱傳遞的方式</p><p>　　根據(jù)能量傳遞的原理不同，熱傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。</p><p>　　5 ） 熱分析的功能</p><p>　　A

42、NSYS熱分析以能量守恒原理的熱平衡方程為基礎(chǔ)，用有限元單元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，從而求解出所需要的物理量。目前ANSYS不但可以研究熱處理過程溫度場(chǎng)的分布，還可以研究材料的固化和溶解過程的相變分析能力。</p><p>　　2.2.3 ANSYS的用戶界面</p><p>　　啟動(dòng)ANSYS 后，將進(jìn)入如圖2.2所示的圖形用戶界面，其中主要包括菜單欄、快捷工具條、工具條、輸入窗口、顯示隱

43、藏對(duì)話框、主菜單、圖形窗口、視圖控制欄、輸出窗口和狀態(tài)欄十個(gè)部分.</p><p>　　圖2.2 ANSYS 14.0 圖形用戶界面</p><p>　　菜單欄中還有多個(gè)下拉菜單，囊括了ANSYS的絕大部分系統(tǒng)環(huán)境配置功能，在軟件運(yùn)行的任何時(shí)候都能訪問該菜單；快捷工具條是作為打開、保存文件等功能的快捷方式出現(xiàn)的；工具條是執(zhí)行命令的快捷方式，多用與存檔和恢復(fù)上次存檔的操作；輸入窗口中可以輸

44、入各種命令，而且ANSYS將會(huì)自動(dòng)匹配待選命令的輸入格式；顯示隱藏對(duì)話框可以顯示由于對(duì)話框重疊而隱藏的對(duì)話框；主菜單幾乎包括ANSYS分析過程中的所有的命令，前處理器、求解器、后處理器等都位于此菜單；圖形窗口用于顯示ANSYS的分析模型、劃分的網(wǎng)格等各種信息；視圖控制欄可以對(duì)圖形窗口中所建模型進(jìn)行視圖操作，來調(diào)整到用戶最佳的視圖角度；輸出窗口用來顯示ANSYS軟件操作時(shí)輸入命令的反饋信息；狀態(tài)欄顯示ANSYS的一些當(dāng)前信息，如當(dāng)前所在模

45、塊、材料屬性、系統(tǒng)坐標(biāo)等。</p><p>　　2.2.4 ANSYS分析的基本過程</p><p>　　ANSYS的分析過程包括三個(gè)主要的步驟：前處理、加載并求解和后處理。</p><p>　　圖2.3 ANSYS分析的基本過程</p><p>　　2.3 溫度場(chǎng)計(jì)算的基本原理</p><p>　　溫度是涉及所

46、有熱處理過程的基本參數(shù)，它的分布影響零件的應(yīng)力場(chǎng)和組織場(chǎng)，它是影響熱處理數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，因此溫度場(chǎng)的模擬是熱處理過程數(shù)值模擬的最主要的內(nèi)容。為了保證溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在溫度場(chǎng)計(jì)算模型中必須考慮初始條件、邊界條件、材料熱物性參數(shù)非線性等因素對(duì)溫度場(chǎng)模擬的影響。</p><p>　　2.3.1 溫度場(chǎng)</p><p>　　溫度場(chǎng)是在不同時(shí)刻物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度分布的總稱。溫度場(chǎng)分

47、為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間的變化而改變。非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而改變，它是坐標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)[17]。</p><p>　　2.3.2 溫度場(chǎng)控制方程 </p><p>　　本文對(duì)熱處理過程溫度場(chǎng)的傳熱理論及模型進(jìn)行了研究。在熱處理加熱或冷卻過程中，工件內(nèi)部的熱量是以熱傳導(dǎo)方式傳遞的，工件表面主要是通過介質(zhì)與鋼件表面的熱對(duì)流傳遞熱量。雖然不同的學(xué)

48、者建立的數(shù)學(xué)模型和處理方法不一樣，但其數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)是一致的?？紤]到工件為圓柱體，為了方便簡(jiǎn)化，采用圓柱體的半個(gè)截面來進(jìn)行研究。本文采用的軸對(duì)稱傳熱溫度場(chǎng)控制微分方程[18]為</p><p><b>　　式中，為密度</b></p><p><b>　　為比熱容</b></p><p><b>　　為導(dǎo)熱系數(shù)&l

49、t;/b></p><p><b>　　為相變潛熱</b></p><p><b>　　為傳熱時(shí)間</b></p><p>　　這些參數(shù)中、都隨溫度變化而變化。</p><p>　　2.3.3 初始條件和邊界條件</p><p>　　上面軸對(duì)稱傳熱溫度場(chǎng)微分控制方程是

50、泛定方程，為了獲得定解，需要給出微分方程的邊界條件及初值條件[18]。 初始條件是指初始溫度場(chǎng)，是計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)。在本文的熱處理加熱或冷卻過程中定為均勻溫度場(chǎng)，即某一確定溫度。</p><p>　　熱處理的邊界條件是工件在加熱或冷卻過程中與外界環(huán)境之間復(fù)雜的換熱情況，想要得到溫度場(chǎng)控制方程的定解，不僅要知道初始條件還需要給出求解過程的邊界條件。在本文熱處理加熱和冷卻過程中，在鋼件表面和介質(zhì)是通過熱對(duì)流來傳遞熱量，它

51、屬于第三類邊界條件[19]，其公式如下：</p><p>　　式中 ， 表示工件表面溫度</p><p>　　表示與工件表面接觸的流體溫度</p><p><b>　　表示對(duì)流換熱系數(shù)</b></p><p>　　2.3.4 熱物性參數(shù)的選擇和相變潛熱的處理</p><p>　　熱物性參數(shù)主要是

52、指導(dǎo)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[19]。在熱處理中各節(jié)點(diǎn)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(jì)算此節(jié)點(diǎn)某一時(shí)刻的熱物性參數(shù)。但對(duì)于常見的材料，我們可以查閱有關(guān)專著手冊(cè)獲得。本文通過查閱相關(guān)論文和《實(shí)用熱物性質(zhì)手冊(cè)》獲得的。</p><p>　　物質(zhì)在發(fā)生相變時(shí)會(huì)有熱量的吸收或釋放，我們把這熱量稱為相變潛熱。根

53、據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋼在加熱或冷卻過程中會(huì)伴隨相變潛熱的釋放或吸收，因此會(huì)對(duì)工件的溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。研究工作人員一般采用等價(jià)比熱容法、溫度回升法、熱焓法來解決這一問題[20]。在本文中由于相變潛熱的釋放對(duì)溫度場(chǎng)的影響很小，所以忽略不考慮。</p><p>　　2.3.5 瞬態(tài)非線性溫度場(chǎng)的求解 </p><p>　　在對(duì)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，工件內(nèi)部溫度分布差

54、異比較大。除此外材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、邊界換熱系數(shù)、材料密度等熱物性參數(shù)隨時(shí)間的變化而改變，因而在模擬過程中很容易形成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。對(duì)于瞬態(tài)問題的溫度場(chǎng)，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(xì)化，是針對(duì)零件內(nèi)部溫度分布差異大的情況。對(duì)于加熱或冷卻過程，工件邊界在極短時(shí)間內(nèi)溫度急劇變化，材料的熱物性參數(shù)變化大，對(duì)于這些區(qū)域?yàn)榱吮ＷC計(jì)算結(jié)果的正確性及避免產(chǎn)生數(shù)值振蕩，應(yīng)該對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。</p><

55、;p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了概述，然后介紹了ANSYS有限元軟件，最后介紹了溫度場(chǎng)計(jì)算原理，為以后軟件的操作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　3 碳素工具鋼及其熱處理工藝研究</p><p>　　碳素工具鋼由于其低廉的價(jià)格、簡(jiǎn)單的成型工藝、較好的力學(xué)性能和工藝性能，

56、使其成為工業(yè)上廣泛應(yīng)用的金屬材料。碳素工具鋼也用某些不足，如淬透性差、回火抗力較差。但我們可以通過熱處理來改善這些，使碳素工具鋼的應(yīng)用更加廣泛。</p><p>　　3.1 碳素工具鋼</p><p>　　碳素工具鋼[3]是用來制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的碳素鋼。它有著較高的耐磨性、較高的硬度、適當(dāng)?shù)捻g性和高溫下較好的紅硬性。碳素工具鋼一般用“T+數(shù)字”來表示，其后的數(shù)字表示含碳

57、的千分之幾。碳素工具鋼的碳的含量為0.65％~1.35％。隨著含碳量的提高，碳素工具鋼的耐磨性有所提高，但韌性會(huì)有所下降[21]。碳素工具鋼的成分及應(yīng)用見表3.1。</p><p>　　表3.1 常用碳素工具鋼牌號(hào)、成分和用途</p><p>　　3.2 熱處理簡(jiǎn)介和碳素工具鋼的熱處理</p><p>　　金屬材料的特性就是其性能的多變性，即一種材料具有不同的性

58、能。怎么樣使一種金屬具有這種性能，我們可以通過熱處理來實(shí)現(xiàn)金屬的這一特性。 </p><p>　　熱處理[22]是采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)固態(tài)金屬進(jìn)行加熱、保溫、冷卻來改變材料的內(nèi)部顯微組織和表面化學(xué)成分，從而提高并改善其力學(xué)性能的一種重要的加工方式。熱處理的每個(gè)階段對(duì)鋼性能影響都很大。鋼的加熱過程影響奧氏體組織的化學(xué)成分、晶粒大小、均勻程度；保溫過程則影響奧氏體晶粒的大小、奧氏體均勻化程度；冷卻過程決定著鋼固態(tài)轉(zhuǎn)變后的

59、組織和性能。</p><p>　　根據(jù)鋼加熱、冷卻方式和獲得組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝[23]可以分為普通熱處理和化學(xué)熱處理。普通熱處理就是我們平常所說的“四把火”，即退火、正火、淬火、回火?；瘜W(xué)熱處理[24]主要分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類。</p><p>　　碳素工具鋼的熱處理[25]分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。碳素工具鋼的預(yù)備熱處理一般采用球化退火(T7鋼除外，其可以采用完

60、全退火)，退火后組織為鐵素體基體+細(xì)小均勻的粒狀滲碳體。最終熱處理為淬火+低溫回火，其組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體。碳素工具鋼經(jīng)過熱處理后，耐磨性和加工性都比較好，價(jià)格又低廉，生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.3 T12鋼的熱處理工藝</p><p>　　3.3.1 T12鋼的物性參數(shù)</p><p>　　文中研究所采用的T12鋼

61、的化學(xué)成分、密度、相變過程中的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)以及不同溫度下的熱物性參數(shù)等數(shù)據(jù)均來源于相關(guān)文獻(xiàn)資料。</p><p>　　表3.2 T12鋼的化學(xué)成分 ％</p><p>　　表3.3 T12鋼的臨界溫度 ℃</p><p>　　表 3.4 空氣的對(duì)流換熱系數(shù)<

62、/p><p>　　表3.5 水的對(duì)流換熱系</p><p>　　表3.6 T12鋼的熱物性參數(shù)</p><p>　　3.3.2 T12鋼的熱處理工藝</p><p>　　過共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當(dāng)，還存在網(wǎng)狀滲碳體。不僅硬度較高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時(shí)容易產(chǎn)生變形或開裂。因此鍛后必須進(jìn)行球化退

63、火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關(guān)鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火溫度一般在以上20-30℃不高的溫度下，保溫時(shí)間亦不能過長(zhǎng)，一般為2-4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在以下20℃左右進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間等溫。</p><p>　　碳素工具鋼在淬火并低溫回火的狀態(tài)下使用，經(jīng)淬火并低溫回火得到隱晶回火馬氏體和均勻細(xì)小的粒狀碳化物組織，具有很高的硬度和耐磨性，同時(shí)顯著

64、降低了鋼的淬火應(yīng)力和脆性。過共析鋼的淬火加熱溫度限定在以上30-50℃是為了獲得細(xì)小的奧氏體晶粒和保留少量滲碳體質(zhì)點(diǎn)，淬火后得到隱晶馬氏體和其上均勻分布的粒狀碳化物，從而不但可以使鋼具有更高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，從而也具有較高的韌性。如果過共析鋼淬火溫度超過 ，碳化物將全部融入奧氏體中，使奧氏體中的含碳量提高，降低鋼的和，淬火后殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度和耐磨性；淬火溫度過高，奧氏體晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有顯微裂紋的粗

65、片狀馬氏體，使鋼的脆性增大；此外，高溫加熱淬火應(yīng)力大、氧化脫碳嚴(yán)重，也增大鋼件變形和開裂傾向。低溫回火溫度一般為150-200℃，回火時(shí)間為1-2h，回火的目的是在保持高硬度的條件下消除淬火應(yīng)力，提高塑性和韌性。</p><p>　　在755℃保溫10min后以690℃等溫35min的熱處理工藝為T12鋼較優(yōu)的球化退火工藝，然后在進(jìn)行760℃淬火+150℃的低溫回火[26]。其工藝曲線如圖3.1。</p&g

66、t;<p><b>　　T/℃</b></p><p>　　755℃ 760℃</p><p><b>　　690℃</b></p><p><b>　　水</b></p><p>　　10min35min空10min淬150℃&l

67、t;/p><p><b>　　冷空</b></p><p><b>　　60min冷</b></p><p><b>　　t/s</b></p><p>　　球化退火 淬火 低溫回火 </p><

68、p>　　圖3.1 T12鋼的熱處理工藝曲線 </p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了碳素工具鋼及熱處理工藝，最后確定了T12鋼熱處理工藝曲線。</p><p>　　4 有限元建模過程</p><p>　　4.1 有限元模型</p><p

69、>　　T12鋼熱處理的加熱和冷卻過程屬于瞬態(tài)熱分析，本文選用PLANE55二維實(shí)體（軸對(duì)稱）單元進(jìn)行有限元分析。根據(jù)模型的對(duì)稱性原理，對(duì)于直徑為Ø400mm、高度為300mm的鋼圓柱模擬時(shí)，選取其截面一半為有限元模型。1節(jié)點(diǎn)是工件軸心線的最下面，2節(jié)點(diǎn)是下表面的邊緣，其中86節(jié)點(diǎn)是工件心部。</p><p>　　圖4.1 有限元模型</p><p>　　4.2 有限元模

70、擬具體步驟</p><p>　　T12鋼熱處理過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬過程屬于瞬態(tài)非線性熱分析問題。在建模過程中采用國(guó)際單位制。</p><p>　　第一步：建立工作文件名和工作標(biāo)題</p><p>　　(1) 選擇Utility Menu | File | Change Jobname 命令，彈出Change Jobname對(duì)話框。在[/FILNAM]文本框中輸入工作

71、文件名Exercise1，單機(jī)OK 按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(2) 選擇Utility Menu| File | Change Title 命令，彈出 Change Title 對(duì)話框輸入Research on Numerical Simulation of Temperature Field on Heat Treatment of T12 Steel，單機(jī)OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p>

72、;<p>　　第二步：定義單元類型</p><p>　　選擇Main Menu| Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete |命令，彈出Element Type 對(duì)話框，單擊Add 按鈕，出現(xiàn)Library of Element 對(duì)話框，選取Thermal Solid ,Quad 4node 55,單擊Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框。然后單擊Option選

73、項(xiàng)，在Element Behavior K3 下拉框中選擇Axisymmetric ，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框，最后單機(jī)Element Type 對(duì)話框中的Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　第三步：定義材料性能參數(shù)</p><p>　　(1) 選擇Main Menu | Preprocessor | Material Models 命令，彈出Define Material Mo

74、del Behavior 對(duì)話框。</p><p>　　(2) 在Material Models Available 中選取Thermal | Conductivity | Isotropic，在彈出的對(duì)話框中將表3.5中導(dǎo)熱系數(shù)一列輸入，如圖4.2所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖4.2 輸入材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)話框</p><p>　　(3) 選

75、取 Define Material Model Behavior 對(duì)話框中的Specific Heat選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中將表3.5中比熱容一列輸入，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(4) 選取Define Material Model Behavior 對(duì)話框中的Density 選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中將表3.5中密度一列輸入，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　

76、(5) 在Define Material Model Behavior對(duì)話框中選擇Material | Exit ,關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　第四步：創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格</p><p>　　(1) 選擇Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Areas | Rectangle | By Dimensions,彈出Create

77、 Rectangle by Dimensions 對(duì)話框，按照?qǐng)D4.3進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　圖4.3 生成矩形對(duì)話框</p><p>　　(2) 單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(3) 選擇Utility Menu | PlotCtrls | Numbering ，出現(xiàn)Plot Numbering Controls 對(duì)話框，將選項(xiàng)LINE

78、 Line numbering 從Off 變?yōu)?On，關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(4) 選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，彈出Element Size on 菜單，選擇編號(hào)為1的線段，單擊Ok按鈕，彈出Element Size on Pick Lines 對(duì)話框，按照

79、圖4.4設(shè)置。</p><p>　　(5) 選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，彈出Element Size on 菜單，選擇編號(hào)為2和4的線段，單擊Ok按鈕，彈出Element Size on Pick Lines 對(duì)話框，在NDIV No. of element divisi

80、ons 中輸入30，單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(6) 選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，彈出Element Size on 菜單，選擇編號(hào)為3的線段，單擊Ok按鈕，彈出Element Size on Pick Lines 對(duì)話框。在NDIV No. of ele

81、ment divisions 中輸入20，在SPACE Spacing ratio 文本框中輸入5，單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　圖4.4 設(shè)置單元個(gè)數(shù)對(duì)話框</p><p>　　（7）選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | MeshTool ，出現(xiàn)MeshTool菜單，單擊mesh 按鈕，出現(xiàn)Mesh Areas 菜單，選擇面，單擊OK按

82、鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(8) 選擇Utility Menu | Plot | Elements，ANSYS顯示窗口顯示網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 網(wǎng)格劃分結(jié)果</p><p><b>　　第五步：加載求解</b></p><p>　　(1) 選擇Main Menu | S

83、olution | Analysis Type | New Analysis ，出現(xiàn)New Analysis 對(duì)話框，選擇分析類型為Transient，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis 對(duì)話框，選取Full按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(2) 選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol’n controls ，出現(xiàn)Solut

84、ion Controls 對(duì)話框，單擊Basic選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D4.6進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　圖4.6 求解基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框</p><p>　　(3) 選擇Main Menu | Solution | Load Step Opts | Time/Frequenc |Time-Time Step，參照?qǐng)D4.7進(jìn)行設(shè)置。</p><p&g

85、t;　　圖4.7載荷步時(shí)間選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框</p><p>　　(4) 選擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Temperature | Uniform Temp，出現(xiàn)Uniform Temperatures 對(duì)話框，在文本框中按照T12鋼的熱處理工藝圖輸入，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(5) 選

86、擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines，出現(xiàn)Apply CONV on Lines 對(duì)話框，按照T12鋼的熱處理工藝圖、表3.3和表3.4設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　(6) 選擇Main Menu | Solution | Solve | Current LS ，出現(xiàn)Sol

87、ve Current Load Step對(duì)話框，單擊OK按鈕，ANSYS開始求解計(jì)算。</p><p>　　第六步：查看結(jié)果分析</p><p>　　(1) 選擇Main Menu | General Postproc | Read Results | By Pick ，然后選擇特定時(shí)間點(diǎn)。</p><p>　　(2) 選擇Main Menu | General P

88、ostproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，出現(xiàn) Contour Nodal Solution Data 對(duì)話框。選擇Nodal | Solution | DOF Solution | Nodal Temperature，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口將顯示溫度場(chǎng)等值線圖。</p><p>　　(3) 選擇Main Menu | TimeHist Pos

89、tpro | Define Variable ，出現(xiàn)Define Time-History Variable 對(duì)話框，單擊Add按鈕，將彈出Add Time-History Variable 對(duì)話框，選擇Nodal DOF result ，單擊Add Time-History Variable 對(duì)話框上的OK按鈕，出現(xiàn)Define Nodal Data 菜單，參照?qǐng)D4.8進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　圖4.8

90、 定義節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)話框</p><p>　　(4) 選擇 Main menu | TimeHist Postpro | Graph Variables，彈出Graph Time-History Variable 對(duì)話框，在NAVR1 1st variable to graph 文本框中輸入所選節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，單擊OK按鈕，ANSYA顯示窗口將顯示所選節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。</p><p>

91、　　(5) 選擇Main Menu | File | Exit ，出現(xiàn)Exit from ANSYS 對(duì)話框，選擇Quit-No Salve ，單擊OK按鈕，關(guān)閉ANSYA。</p><p>　　4.3 有限元模擬的結(jié)果與分析</p><p>　　4.3.1 球化退火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析</p><p>　　圖4.9 T12鋼球化退火加熱到60s時(shí)的溫度場(chǎng)分布

92、圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.10 T12鋼球化退火加熱到300s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.11 T12鋼球化退火加熱到600s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　1</b></p>

93、;<p><b>　　86</b></p><p>　　圖4.12 T12鋼球化退火加熱過程1、2、86節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖</p><p>　　圖 4.9為T12鋼在球化退火加熱到60s時(shí)的溫度分布云圖，圖 4.10為T12鋼在球化退火加熱到300s時(shí)的溫度分布云圖，圖 4.11為T12鋼在球化退火加熱到600s時(shí)的溫度分布云圖。從圖4.9、圖4

94、.10和圖4.11可以看出，溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬可以直觀形象的表達(dá)出在球化退火加熱過程中，在任意時(shí)間任意位置工件內(nèi)部的溫度隨時(shí)間的變化情況；隨時(shí)間的延長(zhǎng)心部溫度不斷上升并不斷接近表面溫度；在任意時(shí)刻工件心部的溫度不高于表面溫度，這完全符合實(shí)際生產(chǎn)。盡管本文對(duì)相變潛熱忽略和數(shù)值計(jì)算模型本身就有的誤差，使溫度場(chǎng)模擬結(jié)果存在一定的誤差，但模擬出來的溫度場(chǎng)變化規(guī)律是合理的。由圖4.9可以看出，在60s時(shí)工件表面邊緣溫度迅速上升到176.462℃，

95、心部的溫度基本沒有變化。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，工件的溫度不斷上升。從圖4.10可以看出在300s時(shí)，工件心部溫度有了明顯的上升，達(dá)到了34.732℃左右。從圖4.11可以看出在600s時(shí)，工件表面邊緣溫度達(dá)到了417.028℃，工件心部溫度達(dá)到了108.081℃。圖 4.12為T12鋼工件1、2、86節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖，從圖4.12可以看出各點(diǎn)溫度都</p><p>　　4.3.2 淬火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析

96、</p><p>　　圖4.13 T12鋼淬火冷卻至10s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.14 T12鋼淬火冷卻至60s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.15 T12鋼淬火冷卻至150s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.16 T12鋼淬火冷卻過程1、2、86節(jié)點(diǎn)溫

97、度隨時(shí)間變化曲線圖</p><p>　　圖 4.13、圖4.14和圖4.15為T12鋼在淬火冷卻至10s、60s、150s溫度場(chǎng)分布云圖。從圖4.13、圖4.14和圖4.15可以看出，溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬可以形象直觀的表達(dá)出在淬火冷卻過程中，在任意時(shí)間任意位置工件內(nèi)部的溫度隨時(shí)間的變化情況；隨時(shí)間的延長(zhǎng)工件表面溫度迅速下降，在任意時(shí)刻零件心部溫度最高。由此可知零件表面冷卻速度最快，表面溫度下降速率達(dá)到了臨界冷卻速度

98、，此時(shí)鋼件表面的組織是馬氏體組織，表面硬度和耐磨性較高。而心部的冷卻速度較低，形成的組織具有好的塑韌性。盡管本文對(duì)相變潛熱忽略和數(shù)值計(jì)算模型本身就有的誤差，使溫度場(chǎng)模擬結(jié)果存在一定的誤差，但模擬出來的溫度場(chǎng)變化規(guī)律是合理的。由圖4.13可以看出T12鋼工件在淬火冷卻至10s時(shí)表面溫度迅速下降到402.824℃，心部溫度為高溫。由4.14可以看出在淬火冷卻至60s時(shí)，工件表面溫度下降到156.469℃，心部仍然為高溫。由圖4.15可以看出

99、工件表面溫度已將降到87.987℃，心部溫度也有所下降。圖4.16為T12鋼工件1、2、86節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖。從圖4.16可以看出各點(diǎn)溫度都隨時(shí)間的延長(zhǎng)降低，只是速率不同。其中</p><p>　　4.3.3 回火過程溫度場(chǎng)結(jié)果和分析</p><p>　　圖4.17 T12鋼回火冷卻至60s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.18 T

100、12鋼回火冷卻至300s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.19 T12鋼回火冷卻至600s時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖（單位：℃）</p><p>　　圖4.20 T12鋼淬火冷卻過程1、2、86節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖</p><p>　　圖 4.17為T12鋼在60s時(shí)回火冷卻的溫度分布云圖，圖 4.18為T12鋼在300s時(shí)回火冷卻的溫度分布云圖

101、，圖 4.19為T12鋼在600s時(shí)回火冷卻的溫度分布云圖。從4.17、4.18和4.19可以看出，溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬可以直觀形象的表達(dá)出在T12鋼回火冷卻過程中，在任意時(shí)間任意位置工件內(nèi)部的溫度隨時(shí)間的變化情況。盡管本文對(duì)相變潛熱忽略和數(shù)值計(jì)算模型本身就有的誤差，使溫度場(chǎng)模擬結(jié)果存在一定的誤差，但模擬出來的溫度場(chǎng)變化規(guī)律是合理的。由圖4.17可以看出，在60s時(shí)工件表面溫度迅速下降，但心部溫度基本沒有變化。由圖4.18和圖4.19可以

102、看出，在300s時(shí)工件心部溫度有了明顯的下降。在任意時(shí)刻工件心部的溫度高于表面溫度，這完全符合實(shí)際生產(chǎn)。圖4.20為T12鋼工件1、2、86節(jié)點(diǎn)在回火冷卻過程溫度隨時(shí)間變化曲線圖，從圖4.20可以看出各節(jié)點(diǎn)溫度都隨時(shí)間的延長(zhǎng)降低，只是速率不同。其中86節(jié)點(diǎn)是工件心部降溫最慢，1節(jié)點(diǎn)是工件的下表面中心點(diǎn)降溫次之，2節(jié)點(diǎn)是下表面的邊緣降溫最快。如果想得到其他位置溫度隨時(shí)間的變化，只要選取其編號(hào)就可以顯示出來。</p><

103、p><b>　　4.4 本章小節(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了熱處理溫度場(chǎng)有限元模擬的基本理論，然后給出了有限元軟件ANSYS對(duì)熱處理溫度場(chǎng)模擬時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，接著詳細(xì)介紹了ANSYS模擬過程，最后對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行了分析。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文在傳

104、熱學(xué)基本原理的基礎(chǔ)上，以有限元法為理論基礎(chǔ)，建立了于有限元數(shù)值模擬的二維軸對(duì)稱計(jì)算模型。本文利用 ANSYS 軟件對(duì)T12鋼熱處理過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了工件溫度場(chǎng)分布的規(guī)律。通過近半年來對(duì)本課題的研究工作，主要的結(jié)論有：</p><p>　　(1) 在T12鋼溫度場(chǎng)模擬時(shí)，應(yīng)用二維軸對(duì)稱瞬態(tài)溫度場(chǎng)的偏微分方程計(jì)算溫度場(chǎng)。同時(shí)確定了熱處理過程中的初始條件和邊界條件。本文還考慮了相變潛熱、邊界換熱系數(shù)、熱物性參數(shù)

105、等非線性因素對(duì)模擬結(jié)果的影響。本文采用適當(dāng)?shù)霓k法減小了軟件處理熱處理過程非線性問題時(shí)用常數(shù)代替所引起的模擬誤差。對(duì)于加熱或冷卻過程，工件邊界在極短時(shí)間內(nèi)溫度急劇變化，材料的熱物性參數(shù)變化大，對(duì)于這些區(qū)域?yàn)榱吮ＷC計(jì)算結(jié)果的正確性及避免產(chǎn)生數(shù)值振蕩，本文對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。</p><p>　　(2) ANSYS軟件可以直觀形象的放映熱處理過程任意時(shí)刻、任意節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布。無論在加熱還是冷卻過程中，剛開始時(shí)

106、工件表面邊緣位置溫度變化十分顯著，過一段時(shí)間后溫度變化趨于平緩；然而工件心部的溫度在剛開始時(shí)基本沒有變化，過一段時(shí)間后才發(fā)生變化。</p><p>　　(3) 在淬火過程中，零件表面冷卻速度最快，其降溫速率達(dá)到了臨界冷卻速度，此時(shí)鋼件表面的組織是馬氏體組織，表面硬度和耐磨性較高。而心部的冷卻速度較低，形成的組織具有好的塑韌性。</p><p>　　(4) 在回火過程中，工件表面溫度與心部溫

107、度差別小，這樣可以減少內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和塑性。</p><p>　　本文雖然取得了上述研究成果，但是仍有一些不足之處需要進(jìn)一步地完善。由于條件所限、時(shí)間較緊，本文沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理過程的應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行模擬運(yùn)算。還有本文只是對(duì)熱處理過程溫度場(chǎng)了數(shù)值模擬，但沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與之對(duì)比。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

108、　　[1] 胡光立.鋼的熱處理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版，1993：47.</p><p>　　[2] 賴宏.45鋼零件淬火過程溫度場(chǎng)的ansys模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(3)：82-83.</p><p>　　[3] 李立碑.金屬材料物理性能手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1998：12-95.</p><p>　　[4] 劉莊.熱處理過程中的數(shù)

109、值模擬[M].科學(xué)出版社，1996. </p><p>　　[5] 殷雯.對(duì)稱鋼件淬火過程溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1998:55-59.</p><p>　　[6] 朱圓圓.鋼件淬火過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].新技術(shù)新工藝，2008.</p><p>　　[7] 馬仙.淬火過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展[ J] .兵器材料科學(xué)與工程，1999，

110、(3)59- 63.</p><p>　　[8] Fuhrmann J, Homberg D.Numerical simulation of the surface hardening of steel[J]. In -ternational Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 199