材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-合金鋼熱處理油冷過程分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　合金鋼熱處理油冷過程分析</p><p>　　合金鋼熱處理油冷過程分析</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>

2、;　　40cr是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的材料之一，改善40cr的性能具有重大意義。對(duì)此對(duì)40cr進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析熱處理前后材料組織和力學(xué)性能的改變，測定熱處理前后材料硬度、塑韌性的變化，并進(jìn)行材料的金相組織分析。利用有限元分析軟件ANSYS模擬40Cr熱處理油冷過程溫度場與時(shí)間的變化關(guān)系，熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善其性能。模擬合金鋼熱處理油冷過程中溫度場隨時(shí)間的變化關(guān)系；研究合金鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化；與45鋼油淬

3、后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較，分析原因。 通過模擬獲得了溫度長隨時(shí)間的推移而降低。熱處理過后材料的硬度和塑韌性都發(fā)生了顯著的變化，觀察到材料的金相組織。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；熱處理工藝；組織和力學(xué)性能；金相組織</p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　40 cr is one of th

4、e 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

5、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

6、 software ANSYS to simulate the 40 cr oil </p><p>　　Key words：ANSYS software; Heat treatment process; Organization and mechanical properties; The microstructure</p><p><b>　　目 錄</b>&

7、lt;/p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)研究目的及意義：1</p><p>　　1.2需要解決的問題：2</p><p>　　2 熱處理研究概況2</p><p>　　2.1熱處理的中國發(fā)展史3</p><p>　　2.1.1

8、熱處理在我國的發(fā)展史3</p><p>　　2.1.2國內(nèi)外熱處理技術(shù)概況4</p><p>　　2.1.3 熱處理技術(shù)5</p><p>　　2.1.4我國熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用6</p><p>　　3計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)8</p><p>　　3.1 ANSYS模擬實(shí)驗(yàn)介紹8</p>

9、<p>　　3.1.1 闡述8</p><p>　　3.1.2 ANSYS特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域10</p><p>　　3.2模擬實(shí)驗(yàn)的確定12</p><p>　　3.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容12</p><p>　　3.3.1定義單元類型12</p><p>　　3.3.2定義材料性能參數(shù)12</p&g

10、t;<p>　　3.3.3創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格13</p><p>　　3.3.4加載求解16</p><p>　　3.3.5參看求解結(jié)果20</p><p>　　3.4數(shù)值模擬結(jié)果與討論22</p><p>　　4 熱處理實(shí)驗(yàn)23</p><p>　　4.1 40Cr實(shí)驗(yàn)前分析23&

11、lt;/p><p>　　4.1.1合金鋼的分類與編號(hào)23</p><p>　　4.1.2合金鋼編號(hào)方法24</p><p>　　4.2 40Cr的性能24</p><p>　　4.2.1 40cr的組織性能24</p><p>　　4.2.2 40Cr的化學(xué)性能25</p><p>　　4

12、.3 40Cr熱處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容26</p><p>　　4.3.1實(shí)驗(yàn)儀器及目的27</p><p>　　4.3.2淬火工藝28</p><p>　　5 40Cr熱處理后的組織與性能28</p><p>　　5.1 本課題的研究方案28</p><p>　　5.1.1 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程總括29</

13、p><p>　　5.1.2實(shí)驗(yàn)材料29</p><p>　　5.2熱處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容29</p><p>　　5.3 40Cr金相組織分析30</p><p>　　5.3.1 850℃ 20min淬火后的金相組織30</p><p>　　5.4 硬度試驗(yàn)30</p><p>　　5.4.1

14、布氏硬度試驗(yàn)30</p><p>　　5.4.2 洛氏硬度32</p><p>　　5.4.3硬度測試33</p><p>　　5.5 拉伸試驗(yàn)33</p><p>　　6 40Cr與45鋼的熱處理前后對(duì)比分析34</p><p>　　6.1 45鋼與40Cr的洛氏硬度的比較34</p>&

15、lt;p>　　6.2 40Cr與45鋼的金相組織對(duì)比35</p><p>　　6.3 40Cr與45鋼的拉伸性能比較36</p><p><b>　　結(jié)論與展望38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致謝40</b&

16、gt;</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)研究目的及意義：</p><p>　　合金鋼（ alloy steel） 鋼里除鐵、碳外，加入其他的元素，就叫合金鋼。 在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに?，可獲得高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、

17、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能合金鋼已有一百多年的歷史了。工業(yè)上較多地使用合金鋼材大約是在19世紀(jì)后半期。當(dāng)時(shí)由于鋼的生產(chǎn)量和使用量不斷增大，機(jī)械制造業(yè)需要解決鋼的加工切削問題，。國際上使用的有上千個(gè)合金鋼鋼號(hào)，數(shù)萬個(gè)規(guī)格，合金鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的10%，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)大量使用的重要金屬材料。合金鋼的主要合金元素有硅、嗚、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強(qiáng)碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當(dāng)條件下

18、，就能形成各自的碳化物，當(dāng)缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。</p><p>　　熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時(shí)間，，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝。其目的是改變鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以改善其性能，延長機(jī)

19、器零件的使用壽命。恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細(xì)化晶粒，消除偏析降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火和回火）、表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）及形變熱處理等。按照熱處理在零件整個(gè)生產(chǎn)工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又可分為預(yù)備熱處理和最終熱處理[1]。</p><p>　　合金鋼

20、熱處理及空冷過程溫度場分布要考慮熱分析，而熱分析是廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種分析工具。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常會(huì)遇到各種各樣的熱量傳遞問題，包括熱傳遞、熱流密度、熱應(yīng)力、相變、溫度分布等這些參數(shù)的確定。目前常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法離散單元法和有限差分法，其中有限元法是應(yīng)用最廣泛的。ANSYS軟件就是以有限元法為載體的[2]。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(yīng)力等，以及與熱有關(guān)的耦合場分析

21、[3]。淬火冷卻過程屬于熱分析中的瞬態(tài)分析。在淬火過程中，零件各部分在冷卻過程中溫度分布和組織轉(zhuǎn)變是不均勻的，最終在零件內(nèi)部形成熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，直接影響零件的機(jī)械性能和使用壽命。甚至在使用過程中產(chǎn)生變形和開裂。生產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火冷卻過程是熱處理工藝中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質(zhì)量控制中最難掌握的環(huán)節(jié)。淬火過程溫度分布的傳統(tǒng)方法是依靠試驗(yàn)測定和經(jīng)驗(yàn)判斷，不能準(zhǔn)確分析和預(yù)測淬火過程的溫度場[4]。計(jì)算機(jī)模擬可將熱處理過程動(dòng)態(tài)的

22、、逼真的模擬，ANSYS軟件具有友好的用戶接口，強(qiáng)大的分析功能，特別適合復(fù)雜零件淬火過程溫度場的動(dòng)態(tài)模擬?？煽焖贉?zhǔn)</p><p>　　1.2需要解決的問題：</p><p>　　模擬合金鋼熱處理油冷過程中溫度場隨時(shí)間的變化關(guān)系；研究合金鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化；與45鋼油淬后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較，分析原因。 </p><p><b>　　擬研

23、究手段：</b></p><p>　　通過建立有限元模型，模擬合金鋼熱處理油冷過程溫度場分布，熱分析是廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種分析工具，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、物理場于一體的大型通用有限元分析軟件主要包括3個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊、后處理模塊。熱分析是ANSYS軟件分析功能的一個(gè)模塊，；（2）通過實(shí)驗(yàn)研究，分析熱處理前后合金鋼組織和力學(xué)性能的變化，為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理

24、論依據(jù)。在淬火冷卻過程中，因?yàn)榱慵?nèi)部溫度分布不均勻，這些應(yīng)力的存在會(huì)直接影響零件的組織性能和使用壽命。如果熱處理不當(dāng)將會(huì)造成零件組織性能達(dá)不到預(yù)定要求，甚至?xí)a(chǎn)生過量變形或開裂兒報(bào)廢。因而淬火過程溫度場的確定是優(yōu)化熱處理工藝、提高零件內(nèi)在質(zhì)量的主要依據(jù)。建立有限元模型，模擬合金鋼熱處理油冷過程溫度場分布；通過實(shí)驗(yàn)研究，分析熱處理前后合金鋼組織和力學(xué)性能的變化，為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)。</p>&l

25、t;p><b>　　2 熱處理研究概況</b></p><p>　　2.1熱處理的中國發(fā)展史</p><p>　　2.1.1熱處理在我國的發(fā)展史</p><p>　　我國熱處理技術(shù)的歷史很悠久。在扮俐器時(shí)代，我們的祖先就已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到熱處理的作用，早在殷商時(shí)期(約公元前1600-公元前1100年)，就已經(jīng)發(fā)明了用退火方法軟化金城箔的技術(shù)。

26、在春秋戰(zhàn)國時(shí)期(公元前770一公元前221年)，已經(jīng)掌握了常用的熱處理工藝如退火、正火、淬火和滲碳等技術(shù)，白n鑄鐵的柔化處理就是最早出現(xiàn)的熱處理工藝之一，其實(shí)質(zhì)包括石里化退火和脫碳退火工藝這種方法到西漢時(shí)期已發(fā)展得比較成熟到公元前6世紀(jì)，鋼鐵兵器被逐漸使用為了提高俐的硬度.淬火工藝得到迅速的發(fā)展。1974年在河北省易縣燕下都出上了戰(zhàn)爭中、晚期的兩把劍和一把枚金相分析表明其顯微組織中都有馬氏體存在說明是經(jīng)過淬火處理的。</p>

27、<p>　　到西漢時(shí)期我國的熱處理技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到較高水平，在我F1出土的西漢中期劉勝(中山勸王)墓中的寶劍，心部含碳吐最低處為0.05%。一般為0.15%-0.4%.而表面含碳員卻高達(dá)。以上其有一定的碳濃度梯度。說明已經(jīng)使川用滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)這種技術(shù)作為個(gè)人的“手藝”屬于絕對(duì)秘密.是不肯外傳的，因而限制了該技術(shù)的發(fā)展。在漢代熱處理技術(shù)已經(jīng)有了文字記載。在西漢司馬遷所著的《史記·天官書》中記載有:“水與火合為悴”

28、在《漢書·王褒傳》中刻有:巧冶鑄卜將之琪，清水淬其。隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬火介質(zhì)對(duì)淬火質(zhì)魷的影響。三國時(shí)期蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀.他說道“漢中水飩?cè)?不任淬，蜀水爽烈”于是派人到成都取水淬火，制排的刀鋅利異常一稱絕當(dāng)世。因日神刀。這說明我國在古代就已經(jīng)注愈到不同水質(zhì)的冷卻能力。在南北朝時(shí)期.蔡毋懷文改進(jìn)r金屬熱處理工藝，他在淬火時(shí)，“浴以五牲之溺.悴以五牲之脂”因?yàn)樯蛑泻宣}類.具有比水

29、高的冷卻速度，所以能使淬火后的鋼獲得較高的硬度。牲畜油肪冷卻速度較低.能避免俐淬火時(shí)脆裂，提高俐的韌性.減少它的變形?？梢钥闯霎?dāng)時(shí)己采用含鹽的水和油作為其有不同冷卻速</p><p>　　2.1.2國內(nèi)外熱處理技術(shù)概況</p><p>　　由于工業(yè)基礎(chǔ)的薄弱和在戰(zhàn)爭中遭受的破壞，我國的熱處理在40年代還僅僅屬于一種作坊式的生產(chǎn)，尚未形成實(shí)質(zhì)性的產(chǎn)業(yè)。在工科院校中無熱處理的專門學(xué)科，因而也缺

30、乏高層次的專業(yè)技術(shù)人才。當(dāng)時(shí)的熱處理操作大都是家傳技藝，籠罩著神秘氣氛，處于十分落后的境地。我國的熱處理產(chǎn)業(yè)起源于50年代初蘇聯(lián)援建的156項(xiàng)企業(yè)。其中的機(jī)械工廠都設(shè)熱處理車間和工段。購買了大批蘇制熱處理設(shè)備、包括箱式、井式、鹽浴等30、40年代水平的電阻加熱爐，并相應(yīng)建立了第一批按蘇聯(lián)圖紙生產(chǎn)這些類型設(shè)備的電爐廠。一些高等工科學(xué)校經(jīng)過院系調(diào)整后、創(chuàng)建了包括在機(jī)械制造工藝系中的熱處理專業(yè)，于1954～1956年培養(yǎng)出了第一批?？坪捅究频?/p>

31、熱處理專業(yè)正式畢業(yè)生。50年代末和60年代初還有從蘇聯(lián)學(xué)習(xí)歸來一批熱處理專業(yè)的留學(xué)生。陸續(xù)建立的一些科研機(jī)構(gòu)和專院校，基本上能按照材料和應(yīng)用發(fā)展的步伐開展熱處理基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)，涌現(xiàn)出一系列的科研成果。由此，從人才培養(yǎng)、研究與開發(fā)，生產(chǎn)技術(shù)的革新和設(shè)備制造等方面初步形成了一個(gè)較完整的專業(yè)體系。 由于科研和生產(chǎn)應(yīng)用的脫節(jié)，對(duì)革新生產(chǎn)設(shè)備的忽視以及長期閉關(guān)鎖國造成的目光短淺，上世紀(jì)60、7</p><

32、p>　　熱處理是保證性能的重要工藝過程，對(duì)的制造精度、 的強(qiáng)度、的工作壽命、的制造本錢等有著直接的影響。20世紀(jì)80年代以來，國際熱處理技術(shù)發(fā)展較快的領(lǐng)域是熱處理技術(shù)、的表面強(qiáng)化技術(shù)和材料的預(yù)硬化技術(shù)。 </p><p>　　2.1.3 熱處理技術(shù)</p><p>　　熱處理技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型的熱處理技術(shù)，它所具備的特點(diǎn)，正是制造中所迫切需要的，比如防止加熱氧化

33、和不脫碳、脫氣或除氣，消除氫脆，從而進(jìn)步材料（零件）的塑性、韌性和疲憊強(qiáng)度。加熱緩慢、零件內(nèi)外溫差較小等因素，決定了熱處理工藝造成的零件變形小等。</p><p>　　19世紀(jì)，冶金學(xué)在生產(chǎn)力蓬勃發(fā)展的推動(dòng)下也得到了重視，到20世紀(jì)30年代發(fā)展衍生若干分支學(xué)科，金屬學(xué)或物理冶金就是其中之一。19世紀(jì)末至20世紀(jì)前葉，鋼的一般成分化學(xué)分析方法已經(jīng)建立，觀察大于微米級(jí)的顯微組織的金相學(xué)技術(shù)已普遍應(yīng)用，通過物理性能測定

34、或熱分析方法研究相變已積累了一定經(jīng)驗(yàn)，用相律指導(dǎo)相圖的工作正在大量開展，這些都為金屬學(xué)的發(fā)展提供了條件。最近20年來金屬學(xué)出現(xiàn)不少新的突破，主要是由于新實(shí)驗(yàn)技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)而取得的。例如，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖象處理，可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力，能直接看到金屬中單個(gè)原子分布的圖象(見電子顯微學(xué))；分析電子顯微術(shù)和各種表面分析設(shè)備不斷出現(xiàn)，將金屬學(xué)的發(fā)展引向更加深入。又如應(yīng)用激冷技術(shù)制成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態(tài)金屬

35、，都各自顯示出特有的性能，有很大的理論意義和實(shí)用價(jià)值，為金屬學(xué)開拓了新園地[6]。</p><p>　　熱處理中主要應(yīng)用的是油冷淬火、氣冷淬火和回火。為保持工件（如）加熱的優(yōu)良特性，冷卻劑和冷卻工藝的選擇及制定非常重要，淬火過程主要采用油冷和氣冷。對(duì)于熱處理后不再進(jìn)行機(jī)械加工的工作面，淬火后盡可能采用回火，特別是淬火的工件，它可以進(jìn)步與表面質(zhì)量相關(guān)的機(jī)械性能，如疲憊性能、表面光亮度、耐腐蝕性等。</p>

36、;<p>　　熱處理過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的成功開發(fā)和應(yīng)用，使得的智能化熱處理成為可能。由于生產(chǎn)的小批量（甚至是單件）、多品種的特性，以及對(duì)熱處理性能要求高和不答應(yīng)出現(xiàn)廢品的特點(diǎn)，又使得的智能化熱處理成為必須。國外產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、日本等，在高壓氣淬方面，發(fā)展的也很快，主要針對(duì)目標(biāo)也是。</p><p><b>　　（1）表面處理技術(shù)</b></p><p

37、>　　在工作中除了要求基體具有足夠高的強(qiáng)度和韌性的公道配合外，其表面性能對(duì)的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。的表面處理技術(shù)，是通過表面涂覆、表面改性或復(fù)合處理技術(shù)，改變表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。目前在制造中應(yīng)用較多的主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積。</p><p>　　由于滲氮技術(shù)可形成優(yōu)良性能的表面，并且滲氮工藝與鋼的淬火工藝有良好的協(xié)調(diào)性，同時(shí)滲氮溫度低，滲氮后不

38、需激烈冷卻，的變形極小，因此的表面強(qiáng)化是采用滲氮技術(shù)較早，也是應(yīng)用最廣泛的。</p><p>　　滲碳是為了進(jìn)步的整體強(qiáng)韌性，即的工作表面具有高的強(qiáng)度和耐磨性。硬化膜沉積技術(shù)目前較成熟的是cvd、pvd。自上個(gè)世紀(jì)80年代開始采用涂覆硬化膜技術(shù)。目前的技術(shù)條件下，硬化膜沉積技術(shù)（主要是設(shè)備）的本錢較高，仍然只在一些精密、長壽命上應(yīng)用，假如采用建立熱處理中心的方式，則涂覆硬化膜的本錢會(huì)大大降低，更多的假如采用這一技

39、術(shù)，可以整體進(jìn)步我國的制造水平。</p><p>　　（2）材料的預(yù)硬化技術(shù)</p><p>　　自上個(gè)世紀(jì)70年代開始，國際上就提出預(yù)硬化的想法，但由于加工機(jī)床剛度和切削刀具的制約，預(yù)硬化的硬度無法達(dá)到的使用硬度，所以預(yù)硬化技術(shù)的研發(fā)投進(jìn)不大。隨著加工機(jī)床和切削刀具性能的進(jìn)步，材料的預(yù)硬化技術(shù)開發(fā)速度加快，到上個(gè)世紀(jì)80年代，國際上產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家在塑料模用材上使用預(yù)硬化模塊的比例已達(dá)到30

40、%（目前在60%以上）。 </p><p>　　我國在材料的預(yù)硬化技術(shù)方面，起步晚，規(guī)模小，目前還不能滿足國內(nèi)制造的要求。采用預(yù)硬化材料，可以簡化制造工藝，縮短的制造周期，進(jìn)步的制造精度?？梢灶A(yù)見，隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)硬化材料會(huì)用于更多的類型。</p><p>　　2.1.4我國熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　（1）加熱爐的溫度場的模擬</p&

41、gt;<p>　　設(shè)計(jì)加熱爐時(shí)同樣可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。對(duì)加熱爐的溫度場的模擬，可以討論不同設(shè)計(jì)方案對(duì)溫度均勻性和節(jié)能的效果，有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上不合理的地方。對(duì)大型井式滲碳爐的爐蓋包裹隔熱層和無隔熱層設(shè)計(jì)的爐頂部分的溫度場模擬。模擬結(jié)果顯示，有隔熱層爐蓋頂部溫度均勻且溫度低，這將減少散熱；爐蓋底部溫度較均勻且較高，顯然有利于爐內(nèi)溫度場的均勻性。而未包裹隔熱層設(shè)計(jì)，爐蓋頂部溫度均勻性不好，且局部溫度很高

42、，這勢(shì)必增加對(duì)外散熱；底部溫度不均勻，也會(huì)導(dǎo)致增加爐內(nèi)溫度場的不均勻性。兩種爐底結(jié)構(gòu)的溫度場摸擬。所示為油封型爐底設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)除在結(jié)構(gòu)上帶來一定的好處外，顯然就劉溫度場分析仔在不利的地方，其爐底外側(cè)溫度較高，散熱相對(duì)將比較嚴(yán)重。所示的爐罐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從中溫度場分布看，爐底外側(cè)溫度較低，有利于爐內(nèi)溫度的均勻和節(jié)約能源。</p><p>　　(2）特大型工件的特殊加熱過程的計(jì)算機(jī)模擬</p><p&

43、gt;　　在一些非常特殊的情況下，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以發(fā)揮獨(dú)特的作用，如125MN油壓機(jī)主柱塞材料為45鋼，重達(dá)150t。由于工件體積龐大，加工企業(yè)現(xiàn)有的加熱爐功率不足以使其控制升溫，難以達(dá)到一定厚度淬硬層的設(shè)計(jì)要求，因此需要制定恰當(dāng)?shù)募訜峁に囀蛊浔砻嬉欢ê穸忍帄W氏體化，然后進(jìn)行淬火。為防止溫度場梯度過大，首先需預(yù)熱（500℃），然后用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，可得到保溫過程中工件表面與心部以及爐氣溫度隨時(shí)間的變化曲線，從而確定恰當(dāng)?shù)谋亟Y(jié)束時(shí)間。

44、</p><p>　　奧氏體化階段是以全功率加熱升溫，在獲得要求的一定厚度的奧氏體層后噴水淬火。但是由于工件太大，無法控制升溫，從而也就無法預(yù)先得知爐氣溫度變化情況，因此以一般的工件溫度場模擬的方法，就遇到一個(gè)無法解決的困難，即不能確定工件的環(huán)境溫度。為此我們采用了擴(kuò)展域的概念。擴(kuò)展域即將分析的對(duì)象從工件本身擴(kuò)展到與工件相關(guān)的各個(gè)方面，通過它們之間的相互聯(lián)系，再通過已知的某些條件來解決問題。本算例中就是通過加熱爐

45、與工件熱流值建立關(guān)系，通過熱流量的近似相等推導(dǎo)出爐中的環(huán)境溫度。在計(jì)算中考慮了工件本身的材料物性參數(shù)、組織場的變化對(duì)加熱冷卻的影響，同時(shí)還考慮了加熱爐與外界環(huán)境的熱交換和保溫材料物性參數(shù)對(duì)整個(gè)過程的影響。按照該思路對(duì)第二部分奧氏體化階段的升溫過程加以模擬。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)模擬計(jì)算得到的溫度變化曲線進(jìn)行了驗(yàn)證，爐氣的溫度變化和實(shí)測值吻合得很好。企業(yè)根據(jù)此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，獲得了良好的結(jié)果。</p><p>&l

46、t;b>　　小結(jié):</b></p><p>　　與在工藝過程中的應(yīng)用一樣，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝裝備中的應(yīng)用同樣具有廣闊的前景和實(shí)用價(jià)值。它有助于提高熱處理工藝裝備設(shè)計(jì)的科學(xué)性和預(yù)見性，使熱處理裝備向著高效、節(jié)能和智能化的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和熱處理及相關(guān)領(lǐng)域理論的不斷結(jié)合、不斷成熟，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝裝備中的應(yīng)用將更加廣泛。</p><p><

47、b>　　3計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　3.1 ANSYS模擬實(shí)驗(yàn)介紹</p><p>　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN， AlogorS，AotuCAD等

48、， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS公司成立于1970年，是由美國匹茲堡大學(xué)的John·Swanson博士創(chuàng)建的，其總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，目前是世界CAE行業(yè)最大的公司。</p><p>　　CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM，即Finite Element Method)，邊界元法(BEM，即BoundaryElement Method)，有限差法(FDM，即

49、Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。</p><p>　　ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重

50、型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。</p><p><b>　　3.1.1 闡述</b></p><p>　　ANSYS程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。</p><p>　　表

51、3.1 熱分析基本單位</p><p>　　注：在熱分析中，攝氏度和華氏攝氏度換算關(guān)系為1℃=5/9（℉-32）</p><p>　　表3.2 熱分析單位換算表</p><p>　　3.1.2 ANSYS特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM，即Finite Element Method)，邊界元

52、法(BEM，即Boundary Element Method)，有限差法(FDM，即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。</p><p>　　ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。

53、因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。</p><p>　　ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。</p><p>　　前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 有限元模型&

54、lt;/p><p>　　分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；</p><p>　　后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將

55、計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。</p><p>　　軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。</p><p>　　現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。</p><p>　　3.2

56、模擬實(shí)驗(yàn)的確定</p><p>　　40Cr熱處理加熱過程屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。這里取40Cr熱處理試樣為圓柱體，設(shè)圓柱體底面半徑R=8mm，高h(yuǎn)=12mm。因?yàn)樵?0Cr熱處理試樣為圓柱體，為軸對(duì)稱模型，所以可以取圓柱體的一旋轉(zhuǎn)面建立一個(gè)二維模型，從而使模擬過程得以簡化。</p><p><b>　　3.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　

57、3.3.1定義單元類型</p><p>　　1）選擇Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Type對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對(duì)話框。</p><p>　　2）在Library of Element Types列表框中選擇Thermal Solid，Qu

58、ad 4node 55，在Element type reference number文本框中輸入1，單擊OK按鈕，關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　3）單擊Element Type對(duì)話框上的Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框</p><p>　　3.3.2定義材料性能參數(shù)</p><p>　?。?）選擇Main Menu|preprocessor|Material Prop

59、s|Matcrial Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對(duì)話框</p><p>　?。?）在Material Models Available列表框中依次選擇Thermal|Conductivity|Orthotropic選項(xiàng)，出現(xiàn)Conductivity for Material Number 1對(duì)話框，在文本框中輸入材料導(dǎo)熱系數(shù)，如圖3.2所示，單擊OK按鈕關(guān)閉

60、該對(duì)話框。</p><p>　　（3）選擇Ddfine Material Behavior對(duì)話框中的Specific Heat選項(xiàng)，出現(xiàn)Specific leat for Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入材料比熱，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　4）選擇Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density選項(xiàng)，出現(xiàn)Den

61、sity For Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入材料密度7800，如圖3.3所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖3.2 材料導(dǎo)熱系數(shù)</p><p><b>　　圖3.3 材料密度</b></p><p>　　在Ddfine Material Behavior對(duì)話框中選擇Material|Exit命

62、令，關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　3.3.3創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格</p><p>　　選擇Main Menu|preprocessor|Modeling|Create|Areas|Rectangle|By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle by Dimensions對(duì)話框。參照?qǐng)D3.4對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p>&l

63、t;p>　　(2）選擇Utility Menu|PlotCtrls|Numbering命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對(duì)話框，將選項(xiàng)LINE Line numbers從Off變?yōu)镺n狀態(tài)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：顯示線段編號(hào)。）</p><p><b>　　圖3.4 網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　(2

64、）選擇Utility Menu|PlotCtrls|Numbering命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對(duì)話框，將選項(xiàng)LINE Line numbers從Off變?yōu)镺n狀態(tài)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：顯示線段編號(hào)。）</p><p>　　(3）選擇Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines

65、|Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)40，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入0.2，如圖3.5所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段1劃分成40個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變小。）</p>

66、<p>　　(4）選擇Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入3，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)40，在SPACE Spacing

67、ratio文本框中輸入4，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段3劃分成40個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變大。）</p><p>　　(5）選擇Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入2，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picke

68、d Line對(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)20，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入0.2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段2劃分成20個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變小。）</p><p>　　(6）選擇Main Menu|Preprocessor|Meshing|Size Cntrls|ManualSize|Lines|Picked

69、 Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入4，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)20，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段4劃分成20個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變大。）</p><p>　　(7）選

70、擇Main Menu|Preprocessor|Meshing|Meshing|MeshTools菜單，出現(xiàn)MeshTools菜單，單擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Areas菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕關(guān)閉該菜單。</p><p>　　(8）選擇Utility Menu|File|Chang Title命令，出現(xiàn)Chang Title對(duì)話框，在文本框中輸入ELEMENTS IN MODEL，單擊OK按鈕關(guān)

71、閉該對(duì)話框。如圖2-4所示</p><p><b>　　圖3.5 網(wǎng)格模型</b></p><p>　　選擇Ulitity Menu|Plot|Element命令，ANSYS顯示窗口顯示網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖3.6所示。</p><p>　　選擇Ulitity Menu|File|Save as命令，出現(xiàn)Save DataBase對(duì)話框，在Save

72、 Database to文本框中輸入MAKE2-1.db，保存上述操作過程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖 3.6 網(wǎng)格劃分結(jié)果</p><p><b>　　3.3.4加載求解</b></p><p>　　(1)選擇Main Menu|Solution|Analysis Type|New Analysis命令，出現(xiàn)New A

73、nalysis對(duì)話框，選擇分析類型為Ttansient。單擊OK按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對(duì)話框，在[TRNOPT]Solution method選項(xiàng)組中選擇Full但選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　(2）選擇Main Menu|Solution|Analysis Type|Sol’n Controls命令，出現(xiàn)Solution Contrls對(duì)話框，單擊Basic選項(xiàng)

74、卡，參照?qǐng)D3.7對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；單擊Transient選項(xiàng)卡，參照3.8對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　(3）選MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Thermal|Temperature|Uniformtemp命令，出現(xiàn)Uniform Temperature對(duì)話框，在文本框中輸入850，如圖3.9所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p>

75、<p><b>　　圖3.7 設(shè)置時(shí)間</b></p><p>　　圖3.8 設(shè)置初始溫度</p><p>　　圖 3.9 設(shè)定最高溫度</p><p>　?。?）選擇Utility Menu|Select|Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表中選擇Lines選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，

76、單擊OK按鈕，出現(xiàn)Select lines菜單，在文本框中輸入2,3，單擊OK按鈕關(guān)閉該菜單。</p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu|Seclect|Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，然后選擇Lines單選按鈕，再單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p&

77、gt;　?。?） 選擇Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Thermal|Convection|On Nodes命令，出現(xiàn)Apply CONY on Nodes菜單，單擊Pick All按鈕，出現(xiàn)Apply CONV on nodes對(duì)話框，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu|Select|Everything命

78、令。</p><p>　?。?）選擇Main Menu|Solution|Analysis Type|Analysis Options命令，出現(xiàn)Full Transient Analysis對(duì)話框。在[EQSLV]Equation solver下拉列表框中選擇JGG out-of-core選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，然后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框</p><p>　　(9）選擇Ulitit

79、y Menu|File|Save as命令，出現(xiàn)Save DataBase對(duì)話框，在Save Database to文本框中輸入MAKE2-2.db，保存上述操作過程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　(10）選擇Main Menu|Solution|Solve|Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，單擊OK按鈕，ANSYS開始求解計(jì)算。如圖3.10、3

80、.11所示。求解結(jié)束后，ANSYS顯示窗口出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　?。?1）選擇Utility Menu|File|Save as命令，出現(xiàn)Save DataBase對(duì)話框，在Save Database to文本框中輸入MAKE2-3.db，保存求解結(jié)果，單擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　圖3.10 求解結(jié)果</p>

81、<p>　　圖3.11 求解圖形</p><p>　　3.3.5參看求解結(jié)果</p><p>　　（1）選擇Main Menu|General Postproc|Read Results|Last Set命令。</p><p>　　（2）選擇Main Menu|General Postproc|Plot Results|Contour Plot|Noda

82、l Solu命令，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顯示窗口顯示溫度場等值線圖，如圖3.12 3.14所示</p><p>　　圖3.12 1800s溫度場分布</p><p>　?。?）選擇Utility Menu|Plotctrls|S

83、tyle|Craphs|Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Craph Plots對(duì)話框，參照?qǐng)D2-12對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　?。?）選擇UtilityMenu|Plotctrls|Style|Craphs|ModifyCurve命令，出現(xiàn)Curve Modifications for Craph Plots對(duì)話框，在[/GTHK]T

84、hickness of curves下拉列表框中選擇Triple選項(xiàng)，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　（5）選擇UtilityMenu|Plotctrls|Style|Colors|Craph Colors命令，出現(xiàn)Craph Colors對(duì)話框，在CURVE Craph curve number 1下拉列表框中選擇黃色，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　6）

85、選擇Main Menu|TimeHist Postpro|Define Variables命令，出現(xiàn)Defined Time-History Variables對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)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，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，出現(xiàn)D

86、efine Nodal Data對(duì)話框，參照?qǐng)D3.13對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖3.13 設(shè)置研究點(diǎn)</p><p>　?。?）單擊Defined Time-History Variable對(duì)話框中的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（8）選擇Main Menu|TimeHist Postpro|Craph Variables命令，出現(xiàn)Craph Time-

87、History Variables對(duì)話框，在NAVR1 1st variable to Craph文本框中輸入2，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口顯示型材橫截面中心溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線圖，如圖3.14所示。</p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu|File|Exit命令，出現(xiàn)Exit form ANSYS對(duì)話框，選擇Quit-No Save！，單擊OK按鈕，關(guān)閉ANSYS。</p>

88、<p>　　3.4數(shù)值模擬結(jié)果與討論</p><p>　　圖3.14 300s溫度場分布</p><p>　　圖3.15 1800秒時(shí)間內(nèi)的溫度變化曲線</p><p>　　由圖可知40cr在隨時(shí)間的變化溫度在逐漸的降低。 其物體的中心溫度始終比較高。</p><p><b>　　4. 熱處理實(shí)驗(yàn)</b>

89、</p><p>　　4.1 40Cr實(shí)驗(yàn)前分析</p><p>　　4.1.1合金鋼的分類與編號(hào)</p><p><b>　　合金鋼的分類</b></p><p>　?。?）按合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類</p><p>　　a．低合金鋼（(w＜5％） b.中合金鋼（(w＝5%～10%）c.高合

90、金鋼（w＞10％）</p><p>　?。?）按鋼中元素種類分類</p><p>　　a.錳鋼 b.鉻鋼 c.硼鋼 d.鉻鎳鋼 e.鉻錳鋼</p><p><b>　?。?）按用途分類</b></p><p>　　a.合金結(jié)構(gòu)鋼 b.合金工具鋼 c.特殊性能鋼 </p><p>　?。?）

91、按正火后組織分類</p><p>　　a. 鐵素體剛 b. 奧氏體鋼 c.萊氏體鋼</p><p>　　4.1.2合金鋼編號(hào)方法</p><p>　?。?)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的漢語拼音字母（Q）、屈服極限數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D、E）三個(gè)部分按順序排列。</p><p>　?。?）合金結(jié)構(gòu)鋼 牌號(hào)由“兩位數(shù)字十元

92、素符號(hào)+數(shù)字”三部分組成。前面兩位數(shù)字代表平均含碳量的萬分之幾，元合金元素后面的數(shù)字表示合金元素的平均含量，一般以百分十幾表示，合金元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)w＜1.5%時(shí)，牌號(hào)中一般只標(biāo)明元素而不標(biāo)明數(shù)值；當(dāng)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥1.5％、≥2.5％、≥3.5%，…時(shí)，則在合金元素后面相應(yīng)地標(biāo)出2， 3，4，…。</p><p>　　（3）鉻滾動(dòng)軸承鋼 鉻滾動(dòng)軸承鋼牌號(hào)由GCr+數(shù)字組成，數(shù)字表示鉻含量平均值的千分之幾。<

93、;/p><p>　?。?）合金工具鋼 合金工具鋼的編號(hào)原則與合金結(jié)構(gòu)鋼大體相同，所不同的只是含碳量的表示方法不同。</p><p>　?。?）不銹鋼與耐熱鋼 不銹鋼與耐熱鋼（珠光體型耐熱鋼除外）的牌號(hào)由“數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字”組成。通常，前面的兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分之幾。</p><p>　　4.2 40Cr的性能</p><p>　　

94、4.2.1 40cr的組織性能</p><p>　　從鐵碳合金相圖上看，40Cr屬于亞共析鋼，緩冷到室溫后的組織為組織為鐵素體+珠光體；從鋼的分類來看，40Cr屬于低淬透性調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，既具有良好的綜合機(jī)械性能；40Cr應(yīng)用十分廣泛，可用于制造汽車、拖拉機(jī)上的連桿、螺栓、傳動(dòng)軸及機(jī)床主軸等零件40Cr的力學(xué)性能（GB/T699-1999）</p><p>　　表

95、4.1 40Cr的力學(xué)性能</p><p>　　4.2.2 40Cr的化學(xué)性能</p><p>　　40Cr的化學(xué)成分（GB/T3077-1999）</p><p>　　表4.2 40Cr的化學(xué)成分</p><p>　?、巽t（Cr）：在結(jié)構(gòu)鋼40Cr中，鉻能顯著提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但同時(shí)降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性。&

96、lt;/p><p>　?、诠瑁⊿i）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15－0.30%的硅。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.0－1.2%的硅強(qiáng)度可提高15－20%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用。硅量增加，會(huì)降低鋼的焊接性能。</p><p>　?、坼i（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。在鋼中加入0.70

97、%以上時(shí)，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。</p><p>　?、芰祝≒）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。 </p><p>　　⑤硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)

98、生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。</p><p>　　⑥鎳(Ni)：鎳能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對(duì)酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。</p><p>　　4.3 40Cr熱處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</p><p>　　熱處理

99、是將剛在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時(shí)間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝。其目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)層，一改善其性能。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的力學(xué)性能，延長機(jī)器零件的使用壽命。</p><p>　　熱處理通常是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成。鋼的熱處理過程，大多數(shù)第首先把鋼加熱到奧氏體狀態(tài)，然后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s一獲得所期望的組織和性能。研究剛在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，控制加熱規(guī)

100、范以改變鋼在高溫下的組織狀態(tài)，對(duì)于充分挖掘鋼材性能潛力、保證熱處理產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。</p><p>　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過程。這些過程互相銜接，不可間斷。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，進(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動(dòng)粒子

101、進(jìn)行間接加熱.金屬加熱時(shí)，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對(duì)于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨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(zhuǎn)變需要一定的時(shí)間，因

102、此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，還須在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí)，加熱速度極快，一般就沒有保溫時(shí)間，而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長[7]。</p><p>　　40Cr屬于中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，同時(shí)又是調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)制鋼的熱處理是淬火加高溫回火。40Cr是亞共析鋼，淬火溫度是將鋼加熱至臨界點(diǎn)Ac3以上30～50℃。</p>

103、<p>　　首先，合金元素影響碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度。非碳化物形成元素Co和Ni能提高碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，故加快了奧氏體的形成速度。Si、Al、Mn等元素對(duì)碳在奧氏體中擴(kuò)散能力影響不大。而Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素顯著降低碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，故大大減慢奧氏體的形成速度。其次，合金元素改變了碳的臨界點(diǎn)和碳在奧氏體中的溶解度，于是就改變了鋼的過熱度和碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度，從而影響奧氏體的形成過程。此外，鋼中合金

104、元素在鐵素體和碳化物中的分布是不均勻的，在平衡組織中，碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在鐵素體中。</p><p>　　因此，奧氏體形成后碳和合金元素在奧氏體中的分布都是極不均勻的。所以在合金鋼中除了碳的均勻化以外，還有一個(gè)合金元素的均勻化過程。在相同條件下，合金元素在奧氏體中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)比碳小得多，僅為碳的萬分之一到千分之一。因此，合金鋼的奧氏體均勻化時(shí)間要比碳鋼長得多。在制定合金鋼的加熱工

105、藝時(shí)，與碳鋼相比，加熱溫度要高，保溫時(shí)間要長。中碳鋼的鑄造性能較好，熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性較好，鑄件中的氣體和非金屬夾雜物較少，抗熱裂傾向的能力較強(qiáng)，易于獲得成型鑄件。但隨著含碳量增加，其導(dǎo)熱性降低，將引起較大的鑄造應(yīng)力，易使鑄件變形。中碳鋼鑄件都要經(jīng)過熱處理（退火、擴(kuò)散退火、正火和回火等），以提高機(jī)械性能。中碳鋼具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性等綜合性能，它廣泛用于要求承受一定載荷與沖擊載荷的零件，如齒輪、連桿、機(jī)架、缸體等[8]。</p&

106、gt;<p>　　根據(jù)鐵碳合金相圖，可以確定其淬火溫度為850℃。隨著熱處理工藝參數(shù)的改變，熱處理后40Cr的組織和性能相應(yīng)改變。比如改變加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等的改變，熱處理后所得到的組織變化主要集中在組織粗細(xì)和組織類型兩個(gè)方面，二者的改變是其性能改變的根本原因。顯微組織越細(xì)，材料的綜合性能越好。顯微組織類型直接決定其綜合力學(xué)性能。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)就是為了研究合金鋼熱處理油冷過程