材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計-45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>　　45鋼熱處理油冷過程分析</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(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立完

2、成的，在完成論文時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)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目： 45鋼熱處理油冷過程分析

3、 </p><p>　　1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　建立有限元模型，模擬45鋼熱處理油冷過程溫度場分布；通過實驗研究，分析熱處理前后45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><p>　　2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容</p&

4、gt;<p>　　1）設(shè)計的基本要求：</p><p>　　論文結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標(biāo)點符號；論文格式符合太原工業(yè)學(xué)院學(xué)位論文格式的統(tǒng)一要求。</p><p><b>　　2）設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　模擬45鋼熱處理油冷過程中溫度場隨時間的變化關(guān)系；研究45鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化

5、；與45鋼水淬后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較，分析原因。 </p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1）ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用[J].冶金能源，2004（05）</p><p>　　2）鋼件淬火過程溫度場的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝技術(shù)與材料研究，2008（11）</p><p

6、>　　3）ANSYS10.0熱分析教程與實例解析</p><p>　　4）45鋼零件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2003（03）</p><p>　　5) 材料科學(xué)基礎(chǔ)（鐵碳合金相圖與熱處理部分）</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　45鋼熱處理油冷過程分析&

7、lt;/p><p>　　摘要:45鋼是中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，Wc=0.45%，冷熱加工性能都不錯，機(jī)械性能較好，且價格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。常應(yīng)用于小截面、中載荷的調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、齒輪、連桿、鏈輪等，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[1]。對于性能要求高的零件，必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。而對45鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，為了得到回火索氏體，而使其具有良好的綜合力學(xué)性能。</p><

8、p>　　本文研究課題通過實驗和軟件模擬，包括對45鋼熱處理油淬以及對熱處理前后45鋼的力學(xué)性能測試并進(jìn)行前后對比，同時與水淬進(jìn)行比較，由于工件在淬火過程中因內(nèi)外溫差會導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生，利用有限元ANSYS軟件對45鋼熱處理油淬過程的溫度場進(jìn)行模擬，分析工件的各個部分在熱處理油淬過程中的溫度變化情況，為優(yōu)化熱處理工藝，使工件經(jīng)熱處理后獲得優(yōu)良的性能提供一定的依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 45

9、鋼，熱處理，力學(xué)性能，溫度場模擬 </p><p>　　Heat treatment of 45 steel oil cooling process analysis</p><p>　　Abstract:45 steel is carbon in the high-quality steel, Wc = 0.45%, hot and cold processing performanc

10、e is good, better mechanical properties, and low price, wide source, so widely used. Often used in the small cross section, the load of conditioning parts, such as main shaft, crankshaft, gear, connecting rod, sprocket,

11、etc.，It is the biggest weakness of low hardenability , section size and require higher artifacts should not be used[1]. For the high performance requirements of parts, conditionin</p><p>　　This paper researc

12、h topic through experiment and software simulation, including heat treatment oil quenching of 45 steel and the mechanical properties of 45 steel before and after the heat treatment test and compared before and after, at

13、the same time compared with water quenching, because of the workpiece during quenching because of internal and external temperature difference will lead to the generation of thermal stress and organization stress, using

14、the finite element ANSYS software of 45 st</p><p>　　Key words: 45 steel, heat treatment, mechanical properties, the temperature field simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><

15、p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　2 45鋼熱處理工藝過程研究3</p><p>　　2.1 45鋼簡介3</p><p>　　2.2 熱處理工藝方案確定3</p><p>　　2.2.1 熱處理工藝的概念3</p><p>　　2.2.2 淬火加熱溫度及保溫

16、時間的確定4</p><p>　　2.2.3 回火加熱溫度及保溫時間的確定6</p><p>　　2.3 本章小結(jié)6</p><p>　　3 45鋼顯微組織分析8</p><p>　　3.1 實驗過程概述8</p><p>　　3.2 金相組織結(jié)果與分析8</p><p>　　3.3

17、 本章小結(jié)12</p><p>　　4 45鋼力學(xué)性能研究13</p><p>　　4.1 硬度測定13</p><p>　　4.1.1 布氏硬度測定13</p><p>　　4.1.2 洛氏硬度測定15</p><p>　　4.2 拉伸實驗17</p><p>　　4.2.1 強(qiáng)度

18、性能研究18</p><p>　　4.2.2 塑性性能研究19</p><p>　　4.3 本章小結(jié)20</p><p>　　5 45鋼油淬過程溫度場模擬21</p><p>　　5.1 有限元模擬技術(shù)21</p><p>　　5.2 溫度場模擬24</p><p>　　5.2.1

19、有限元模擬過程24</p><p>　　5.2.2 模擬結(jié)果與分析28</p><p>　　5.3 本章小結(jié)34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p><b>　　致謝38</b></p><p><b>　　1 緒論<

20、/b></p><p>　　工業(yè)用鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用最廣，用量最大的金屬材料，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。工業(yè)用鋼中的碳素鋼，由于價格低廉，便于冶煉，容易加工，且通過含碳量的增減和不同的熱處理可使其性能得到改善，因此能滿足很多生產(chǎn)上的要求，至今仍是應(yīng)用最廣泛的鋼鐵材料。作為當(dāng)今社會應(yīng)用最廣泛的材料之一，其在結(jié)構(gòu)材料中的使用，它的性能在很高層面上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量,因此它性能的提升具有重要的意義[1]

21、。</p><p>　　結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和各種機(jī)器零件的鋼種，如船舶、橋梁、車輛、壓力容器以及軸、齒輪、各種聯(lián)接件等，其中用于制造工程結(jié)構(gòu)的鋼又稱為工程用鋼或構(gòu)件用鋼；機(jī)器零件用鋼則包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等[2]。45鋼是中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，Wc=0.45%，冷熱加工性能都不錯，機(jī)械性能較好，且價格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。常應(yīng)用于小截面、中載荷的調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、齒輪、連桿、鏈輪等。

22、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[1]。對于性能要求高的零件，必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。而對45鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，為了得到回火索氏體，而使其具有良好的綜合力學(xué)性能。熱處理工藝不改變45鋼的外形，通過熱處理能充分發(fā)揮45鋼的潛力，并賦予45鋼所需要的各種性能，達(dá)到提高45鋼質(zhì)量，延長使用壽命，確保機(jī)器安全可靠運行的目的。而在熱處理淬火工藝中冷卻性能是淬火介質(zhì)重要的性能，它的好壞直接影響到淬火零件的質(zhì)量，良好的冷卻性能可

23、保證淬火后的零件具有一定的硬度和合格的金相組織，可以防止零件變形和開裂[3]。</p><p>　　熱分析是廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的一種分析工具。估算和控制工件的溫度場，分析不同條件下，不同材料及幾何形狀對溫度場變化的影響，防止工件缺陷的產(chǎn)生[4]。熱分析在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中具有重要作用，而且鋼鐵行業(yè)投資大，工藝復(fù)雜，進(jìn)行有限元模擬分析尤為重要。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)多物理場于一體的大型通用有

24、限元分析軟件，由世界上著名的有限元軟件公司——美國ANSYS公司開發(fā)[5]。利用ANSYS軟件的熱分析模塊對鋼件淬火過程進(jìn)行建模、分網(wǎng)、加載及求解，得到鋼件淬火不同時刻的溫度場，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(yīng)力、殘余應(yīng)力計算提供溫度邊界條件[6]。同時ANSYS有限元軟件在溫度場的模擬過程中，很好的結(jié)合了材料變溫過程材料熱物性參數(shù)的變化，特別適用于鋼件淬火過程溫度場的準(zhǔn)確計算，通過利用ANSY

25、S有限元軟件對幾何外形復(fù)雜的45鋼零件淬火過程溫度場進(jìn)行有限元模擬，得到零件溫度隨淬火時間的分布關(guān)系。模擬結(jié)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的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力做好準(zhǔn)備工作[7]。45鋼作</p><p>　　本文研究課題通過實驗和軟件模擬，對45鋼熱處理油淬以及對熱處理前后45鋼的力學(xué)性能測試并進(jìn)行前后對比，同時與水淬進(jìn)行比較，由于工件在淬火過程中因內(nèi)外溫

26、差會導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生，利用有限元ANSYS軟件對45鋼熱處理油淬過程的溫度場進(jìn)行模擬，分析工件的各個部分在熱處理油淬過程中的溫度變化情況，為優(yōu)化熱處理工藝，使工件經(jīng)熱處理后獲得優(yōu)良的性能提供一定的依據(jù)。</p><p>　　2 45鋼熱處理工藝過程研究</p><p>　　2.1 45鋼簡介 </p><p>　　鋼鐵是以鐵和碳為主要組成元素的合金材

27、料。鋼鐵材料是工業(yè)中應(yīng)用最廣、用量最多的金屬，其品種繁多、性能各異。根據(jù)鋼材的用途可以分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼三類[1]。</p><p>　　結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和各種機(jī)器零件的鋼種，如船舶、橋梁、車輛、壓力容器以及軸、齒輪、各種聯(lián)接件等，其中用于制造工程結(jié)構(gòu)的鋼又稱為工程用鋼或構(gòu)件用鋼；機(jī)器零件用鋼則包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。其中，調(diào)質(zhì)鋼即經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用的結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼有良好的

28、綜合力學(xué)性能，不但有很高的強(qiáng)度，而且有良好的塑性和韌性[2]。</p><p>　　45鋼是中碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，Wc=0.45%，冷熱加工性能都不錯，機(jī)械性能較好，且價格低、來源廣，所以應(yīng)用廣泛。常應(yīng)用于小截面、中載荷的調(diào)質(zhì)件，如主軸、曲軸、齒輪、連桿、鏈輪等。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[1]。對于性能要求高的零件，必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。</p><p>　　本實

29、驗45鋼以退火狀態(tài)交貨。其化學(xué)成分為：含碳 0.42～0.50%，硅0.17～0.37%，錳0.50～0.80%，硫小于等于0.035%，磷小于等于0.035%，鉻小于等于0.25%，鎳小于等于0.25%。</p><p>　　2.2 熱處理工藝方案確定</p><p>　　2.2.1 熱處理工藝的概念</p><p>　　金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中

30、加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝方法。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的[8]。 鋼的熱處理工藝就是通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。鋼

31、在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為制定正確的熱處理工藝提供了理論依據(jù)，其熱處理工藝參數(shù)的確定必須使具體工件滿足鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，以獲得所需性能。</p><p>　　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，包括退火、正火、淬火和回火；表面熱處理，包括表面淬火和化學(xué)熱處理；及形變熱處理等。按照熱處理在零件整個生產(chǎn)工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又分為預(yù)備熱處理和最終熱處理[

32、9]。</p><p>　　對于碳鋼的熱處理，不同的熱處理方法使碳鋼獲得不同的組織和性能；同一種熱處理方法，當(dāng)采用不同的熱處理工藝參數(shù)時，碳鋼所獲得的組織和性能也不同。調(diào)質(zhì)是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚?，其目的是使工件具有良好的綜合機(jī)械性能。 調(diào)質(zhì)鋼有碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼二大類，不管是碳鋼還是合金鋼，其含碳量控制比較嚴(yán)格。如果含碳量過高，調(diào)質(zhì)后工件的強(qiáng)度雖高，但韌性不夠，如含碳量過低，韌性提高而強(qiáng)度不足。為使調(diào)質(zhì)

33、件得到好的綜合性能，一般含碳量控制在0.30～0.50%。 調(diào)質(zhì)淬火時，要求工件整個截面淬透，使工件得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織，根據(jù)如圖2.1碳鋼正常淬火溫度范圍來選擇。之后通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。此次試驗為了使45鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，對45鋼進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，其中包括油淬火與高溫回火熱處理。 </p><p>　　圖2.1碳鋼正常

34、淬火溫度范圍</p><p>　　2.2.2 淬火加熱溫度及保溫時間的確定</p><p>　　亞共析鋼淬火時，要加熱到Ac3以上30～50℃，經(jīng)適當(dāng)保溫后，得到均勻細(xì)小的奧氏體。如果加熱溫度過高，會得到粗大的奧氏體晶粒，淬火后得到的馬氏體晶粒也粗大。粗大的馬氏體組織使鋼的韌性下降，具有這種組織的零件或工模具在工作過程中容易發(fā)生脆斷現(xiàn)象。若加熱溫度選在Ac1～Ac3之間，則碳鋼的高溫組織

35、為奧氏體加鐵素體，淬火冷卻后的組織為馬氏體加鐵素體。由于鐵素體的存在，顯著減小了鋼的強(qiáng)化效果。淬火的過熱組織和欠熱組織都是因淬火溫度選擇不當(dāng)形成的。45鋼的臨界點Ac1 =724℃，AC3 =780℃，所以淬火加熱溫度為810～830℃，結(jié)合實際以及45鋼常用熱處理方法，確定45鋼的淬火加熱溫度為840℃。</p><p>　　為了使淬火加熱組織即奧氏體充分轉(zhuǎn)變，并使其具有均勻的碳濃度，碳鋼加熱到淬火溫度后，還

36、應(yīng)有一定的保溫時間。在實驗室中，通常是將加熱爐升溫到淬火溫度，然后向爐內(nèi)裝入試樣進(jìn)行加熱。當(dāng)試樣升溫至與爐溫即淬火溫度相同時，即進(jìn)入保溫階段。保溫時間與試樣的有效尺寸有關(guān)，包括直徑和厚度。在箱式電阻爐中加熱試樣的加熱保溫“總時間”即試樣自裝爐到出爐的總時間。如果裝爐試樣較多，可能出現(xiàn)試樣的相互接觸甚至堆集情況時，應(yīng)適當(dāng)延長加熱保溫總時間。根據(jù)《熱處理工藝規(guī)范與數(shù)據(jù)手冊》[10]中表3-9，箱式爐或井式爐中碳鋼保溫時間通常為1.1～1.5

37、min/mm,本實驗選取加熱保溫時間為1.5min/mm，所以根據(jù)所給材料試樣，確定直徑為20mm的小圓柱體試樣加熱保溫時間為30min，由于沖擊試樣為國家標(biāo)注試樣，根據(jù)其尺寸確定加熱保溫時間為15min，同樣，拉伸試樣也是標(biāo)準(zhǔn)試樣，根據(jù)其拉伸處尺寸確定其加熱保溫時間為15min.</p><p>　　由設(shè)計要求，對于保溫后的45鋼進(jìn)行油冷。對于此部分冷卻過程分析見ANASYS油淬過程模擬分析。實際淬火過程中，冷

38、卻速度是碳鋼淬火過程中極重要的工藝規(guī)范。冷卻速度不同，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。水冷時的冷卻速度大于臨界冷卻速度Vk，冷卻后得到馬氏體組織，硬度最高；在油中冷卻時，得到馬氏體加屈氏體混合組織，其淬火硬度比水冷試樣的淬火硬度低一些；而冷卻是在空氣或爐中進(jìn)行時，奧氏體則完全分解為索氏體或珠光體，硬度進(jìn)一步降低。鋼的冷卻速度可以通過選擇不同的冷卻介質(zhì)來控制。碳鋼的奧氏體穩(wěn)定性差，臨界冷卻速度大，通常要在冷卻能力強(qiáng)的冷卻介質(zhì)中冷卻才能得到馬氏體組

39、織[1]。</p><p>　　2.2.3 回火加熱溫度及保溫時間的確定</p><p>　　碳鋼制件淬火后都必須進(jìn)行回火處理，以減少或消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，獲得比較穩(wěn)定的組織和性能。</p><p>　　回火是將已淬火的碳鋼加熱到A1以上某一溫度，適當(dāng)保溫一段時間，然后空冷或爐冷至室溫。在回火的保溫和冷卻過程中，淬火馬氏體和殘余奧氏體都要發(fā)生分解和分解產(chǎn)物的聚集

40、長大。隨著回火溫度的升高，淬火碳鋼的組織將依次得到回火馬氏體，回火屈氏體和回火索氏體，淬火碳鋼的硬度將依次降低，韌性將逐漸回升，內(nèi)應(yīng)力也逐漸趨于消除。</p><p>　　低溫回火的溫度一般為150～250℃，淬火組織為馬氏體的碳鋼,常有少量殘余奧氏體，在低溫回火后獲得回火馬氏體，它仍保留著原來馬氏體的針片或板條狀形態(tài)，性能基本上與淬火馬氏體相同，但脆性較低。</p><p>　　中溫回火

41、的溫度一般為350～500℃回火后的組織為極細(xì)顆粒的滲碳體加針狀鐵素體，即回火屈氏體，此時，鋼的硬度有明顯降低，而剛的彈性的韌性較高。</p><p>　　高溫回火的溫度一般500～650℃，回火后的組織為細(xì)粒狀滲碳體加鐵素體，即回火索氏體，淬火加高溫回火又稱調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后鋼的硬度降低較多，而韌性大幅度提高。</p><p>　　此次試驗為了使45鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，故選取高溫回火,回

42、火溫度為600℃。</p><p>　　回火的加熱保溫時間主要根據(jù)試樣的有效尺寸來確定。由金屬學(xué)與熱處理資料，回火一般為1～2h，選取回火時間為1h。</p><p>　　碳鋼的回火冷卻無特殊要求，一般可在空氣中冷卻。選取空冷。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　通過對熱處理工藝

43、的研究，最終確定了熱處理工藝方案，對試樣采用調(diào)質(zhì)處理，其包括兩個工藝過程：</p><p>　　第一，淬火過程，圖2.2為淬火工藝曲線示意圖</p><p>　　1.加熱：對45鋼各種試樣進(jìn)行加熱，其包括小圓柱體試樣、沖擊試樣、拉伸試樣，加熱溫度為840℃；</p><p>　　2.保溫：對直徑為20mm的小圓柱體試樣加熱保溫時間為30min，對沖擊試樣加熱保溫時間

44、為15min，同樣，對拉伸試樣加熱保溫時間為15min；其中保溫時間是指試樣放入加熱爐中后，加熱爐中溫度再次達(dá)到加熱溫度840℃時開始計時；</p><p>　　3.冷卻：當(dāng)試樣完成加熱后，迅速從加熱爐中取出試樣進(jìn)行冷卻，對所有試樣均采用油冷；</p><p>　　入爐 保溫 出爐 油冷</p><p>　　圖2

45、.2 45鋼淬火工藝曲線示意圖</p><p><b>　　第二，回火過程</b></p><p>　　1.加熱;對45鋼各種試樣進(jìn)行加熱，其包括小圓柱體試樣、沖擊試樣、拉伸試樣，加熱溫度為600℃；</p><p>　　2.保溫：對所有試樣均采用回火保溫1h；其中保溫時間是指試樣放入加熱爐中后，加熱爐中溫度再次達(dá)到加熱溫度600℃時開始計時

46、；</p><p>　　3.冷卻：當(dāng)試樣完成加熱后，從加熱爐中取出試樣進(jìn)行冷卻，對所有試樣均采用空冷。</p><p>　　3 45鋼顯微組織分析</p><p>　　3.1 實驗過程概述</p><p>　　顯微分析是研究金屬內(nèi)部組織的最重要的方法。試樣表面比較粗糙時，由于對入射光產(chǎn)生漫射，無法用顯微鏡觀察其內(nèi)部組織。因此，我們要對試樣

47、表面進(jìn)行加工，通常是用磨光和拋光的方法，以得到一個光亮的鏡面。這個表面還必須能完全代表取樣前所具有的狀態(tài)，也就是說，不能在制樣過程中使表層發(fā)生任何組織變化[8]。獲得具備這種條件的試樣表面，才算是完成了制備階段。僅具有光滑平面的試樣，在顯微鏡下只能看到白亮的一片，而看不到其組織細(xì)節(jié)，這是由于大多數(shù)金屬組織中不同的相，對于光具有相近的反射能力的緣故。為此，必須用一定的試劑對試樣表面進(jìn)行腐蝕，使試樣表面有選擇地溶解掉某些部分如晶界，從而顯現(xiàn)

48、微小的凹凸不平。這些凹凸不平都在光學(xué)系統(tǒng)的景深范圍內(nèi)[8]，這時用顯微鏡就可以看清楚試樣組織的形貌，大小和分布，這就是組織顯示階段。完成了以上兩個階段后，就可以進(jìn)入顯微分析的第三階段，既顯微組織的觀察和分析。其中試樣的制備和組織的顯示，包括取樣、鑲樣、磨光、機(jī)械拋光、用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕等。最后對組織進(jìn)行觀察拍照。 </p>

49、<p>　　圖3.1 Fe-Fe3C相圖</p><p>　　3.2 金相組織結(jié)果與分析 </p><p>　　在全組人員的共同努力下，通過對45鋼試樣進(jìn)行磨光，機(jī)械拋光，并由表3.1合理選擇腐蝕液進(jìn)行腐蝕，并且對所得到的金相組織進(jìn)行顯微觀察后拍照，最后得到了金相組織圖。其中45鋼退火狀態(tài)金相組織如圖3.2,45鋼調(diào)質(zhì)處理（油淬）后組織狀態(tài)如圖3.3,45鋼調(diào)質(zhì)處理（水淬）后

50、組織狀態(tài)如圖 3.4。 而鐵碳合金的顯微組織是研究和分析鋼鐵材料性能的基礎(chǔ)。所謂平衡狀態(tài)的顯微組織是指合金在極為緩慢的冷卻條件下如退火狀態(tài)即接近平衡狀態(tài)時所得到的組織。我們可以根據(jù)圖3.1來分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的顯微組織。鐵碳合金的平衡組織主要是指碳鋼和白口鑄鐵的室溫組織。從Fe-Fe3C相圖可見，碳鋼和白口鐵的室溫組織均由鐵素體和滲碳體這兩個基本相所組成。但是由于含碳量不同，鐵素體和滲碳

51、體的相對數(shù)量，析出條件以及分布情況均有所不同，因而呈現(xiàn)各種不同的組織形態(tài)。本實驗未進(jìn)行熱處理實驗的組織屬于退火狀態(tài)組織，熱處理實驗后的組織屬于調(diào)質(zhì)處理后的組織。如表3.1鐵碳合金室溫下基本組織組成物的顯微組織特征可基本了解熱處理前后組織狀態(tài)。 </p><p>　　圖3.2 45鋼退火組織狀態(tài)</p><p>　　圖3.3 45鋼調(diào)質(zhì)處理（油淬）后組織狀態(tài) </p&g

52、t;<p><b>　　。 </b></p><p>　　圖3.4 45鋼調(diào)質(zhì)處理（水淬）后組織狀態(tài)</p><p>　　表3.1各種鐵碳合金在室溫下的顯微組織</p><p>　　對于用浸蝕劑顯露的碳鋼和白口鑄鐵。在金相顯微鏡下具有下面幾種基本組織組成物：鐵素體（F），鐵素體是在碳在α—Fe中的固溶體。鐵素體為體心立

53、方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度較低，用3%-4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的等軸晶粒；亞共析剛中鐵素體呈塊狀分布；當(dāng)含碳量接近于共析成分時，鐵素體則呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布于珠光體周圍；滲碳體(Fe-Fe3C)，滲碳體是鐵和碳形成的一種化合物，其含碳量為6.69%，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕性強(qiáng)，經(jīng)3%-4%硝酸酒精溶液浸蝕后，滲碳體呈亮白色，若用苦味酸鈉溶液浸蝕，則滲碳體能被染成黑色或棕紅色，而鐵素體仍為白色，由此可區(qū)別鐵素體與滲碳體。

54、按照成分和形成條件的不同，滲碳體可以呈現(xiàn)不同的形態(tài)：一次滲碳體是直接由液體中結(jié)晶出來的，故在白口鑄鐵中呈粗大的條片狀；二次滲碳體是從奧氏體中析出的，往往呈網(wǎng)絡(luò)狀沿奧氏晶界分布；三次滲碳體是從鐵素體中析出的，通常呈不連續(xù)薄片狀存在于鐵素體晶界處,數(shù)量極微可忽略不計。珠光體(P)， 珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。在一般退火處理情況下,是由鐵素體與滲碳體相互混合交替排列形成的層片狀組織。經(jīng)硝酸酒精溶液侵蝕后,在不同放大<

55、/p><p>　　Fe-Fe3C相圖的各種合金,按其含碳量與平衡組織的不同,可分為工業(yè)純鐵,碳鋼及白口鑄鐵3類。其中碳鋼又分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。由于本設(shè)計是對于45鋼的研究，其屬于亞共析鋼鋼，而亞共析鋼的含碳量在0.0218%~0.8%范圍內(nèi),其組織有鐵素體和珠光體所組成。隨著含碳量的增加,鐵素體的數(shù)量則相應(yīng)的逐漸減少,而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)增多,兩者的相對量可由杠桿定律求得。</p><

56、p>　　在本實驗中，由金相組織照片可以得到，對于的退火狀態(tài)45鋼，得到由白色晶粒狀鐵素體和黑色塊狀、片狀的珠光體組織；經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45鋼所得到的由顆粒狀滲碳體和多邊形鐵素體組成的回火索氏體組織，而水淬得到的回火索氏體組織中顆粒狀滲碳體和多邊形鐵素體更均勻，含量相對于油淬處理后的高。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　

57、Fe-Fe3C相圖的各種合金,按其含碳量與平衡組織的不同,可分為工業(yè)純鐵,碳鋼及白口鑄鐵3類。其中碳鋼又分為亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼。由于本設(shè)計是對于45鋼的研究，其屬于亞共析鋼鋼，而亞共析鋼的含碳量在0.0218%~0.8%范圍內(nèi),其組織有鐵素體和珠光體所組成。隨著含碳量的增加,鐵素體的數(shù)量則相應(yīng)的逐漸減少,而珠光體的數(shù)量則相應(yīng)增多,兩者的相對量可由杠桿定律求得。由于熱處理前后組織的變化，導(dǎo)致材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致由于材

58、料的晶體結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生不同方面性能的變化，就此我們在接下來對45鋼進(jìn)行力學(xué)性能的研究，進(jìn)一步比較熱處理對鋼性能變化的影響。對于本實驗所得金相組織的基礎(chǔ)上，比較不同組織下材料的性能。</p><p>　　在本實驗中，由金相組織照片可以得到，對于的退火狀態(tài)45鋼，得到由白色晶粒狀鐵素體和黑色塊狀、片狀的珠光體組織；經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45鋼所得到的由顆粒狀滲碳體和多邊形鐵素體組成的回火索氏體組織，而水淬得到的回火索氏體組

59、織中顆粒狀滲碳體和多邊形鐵素體更均勻，含量相對于油淬處理后的高。同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼，由于淬火冷卻介質(zhì)不同，即導(dǎo)致冷卻速度不同，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。水冷時的冷卻速度大于臨界冷卻速度VK ，冷卻后得到馬氏體組織；在油中冷卻時，得到馬氏體加屈氏體混合組織，后經(jīng)過同樣的回火過程，由于馬氏體的含量不同導(dǎo)致回火后組織含量不同。</p><p>　　4 45鋼力學(xué)性能研究</p>&l

60、t;p><b>　　4.1 硬度測定</b></p><p>　　4.1.1 布氏硬度測定</p><p><b>　?。?） 實驗操作</b></p><p>　?、俑鶕?jù)表4.1布氏硬度試驗規(guī)范，確定壓頭直徑，載荷及載荷的保持時間[9]。</p><p>　　表4.1布氏硬度試驗規(guī)范&l

61、t;/p><p>　?、谟捎谒o材料是45鋼，45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，并且交貨狀態(tài)是退火狀態(tài)，式樣厚度大于(3～6)mm,所以選取鋼球直徑為10mm，載荷P=3000（kgf）,載荷保持時間為10s。本實驗45鋼熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，通過布氏硬度試驗規(guī)范選取鋼球直徑為10mm，載荷P=3000（kgf）,載荷保持時間為10s.</p><p>　?、廴?.1所示布氏硬度計，一切準(zhǔn)備就緒后施加載荷將鋼

62、球壓入試樣，施加載荷時間為10秒。 </p><p>　　④根據(jù)壓痕平均直徑，由“布氏硬度換算表”查得布氏硬度值。</p><p><b>　　圖4.1布氏硬度計</b></p><p>　?。?） 實驗數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　表4.2布氏硬度測試結(jié)果</p><p>　　（

63、3） 實驗數(shù)據(jù)分析</p><p>　　通過合理選擇布氏硬度測試方法及實驗操作后，表4.2布氏硬度測試結(jié)果我們可以看到，對于退火狀態(tài)的45鋼，所測得平均硬度值為160HBS；對于調(diào)質(zhì)處理（油淬）的45鋼，所測得平均硬度值為236 HBS；對于調(diào)質(zhì)處理（水淬）的45鋼，所測得平均硬度值為264HBS；通過硬度的對比我們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，45鋼的硬度明顯得到提高，而對于不同的淬火介質(zhì)，同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)

64、處理的45鋼，水淬處理的硬度要比油淬處理的硬度高。這是由于冷卻速度不同，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。水冷時的冷卻速度大于臨界冷卻速度VK ，冷卻后得到馬氏體組織，硬度高；在油中冷卻時，得到馬氏體加屈氏體混合組織，經(jīng)過相同的回火后，得到含滲碳體和鐵素體組成含量不同的回火索氏體，所以經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45鋼比退火狀態(tài)的45鋼硬度明顯提高，同時水淬處理硬度比油淬處理試樣的硬度高一些。</p><p>　　4.1.2 洛氏硬

65、度測定</p><p><b>　　（1） 實驗操作</b></p><p>　?、儆杀?.3根據(jù)試樣材料及預(yù)計硬度范圍，選擇壓頭類型和初、主載荷[9]。</p><p>　　②由于實驗中未進(jìn)行熱處理的45鋼屬于退火狀態(tài)的鋼，所以按照表4.3確定其壓頭類型用直徑為1.588mm鋼球，載荷為100kgf進(jìn)行硬度測試；而本實驗對45鋼進(jìn)行的是調(diào)制

66、處理，所以熱處理后的45鋼屬于調(diào)質(zhì)鋼，所以按照表4.3確定其壓頭類型用120°金剛石圓錐體，載荷為150kgf進(jìn)行硬度測試。 </p><p>　?、蹨?zhǔn)備就緒后用如圖4.2洛氏硬度計進(jìn)行試驗，直接由洛氏硬度計讀取所測得洛氏硬度值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

67、 </p><p><b>　　圖4.2洛氏硬度計</b></p><p>　　表4.3常用的三種洛氏硬度實驗規(guī)范 </p><p>　?。?） 實驗數(shù)據(jù)記錄</p><p

68、>　　按照實驗步驟完成了實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了記錄，實驗數(shù)據(jù)記錄如表4.4洛氏硬度測試結(jié)果。</p><p>　　表4.4 洛氏硬度測試結(jié)果</p><p>　?。?） 實驗數(shù)據(jù)分析</p><p>　　同布氏硬度一樣，通過合理選擇洛氏硬度硬度測試方法及實驗操作后，我們通過表4.4洛氏硬度測試結(jié)果可以看到，對于退火狀態(tài)的45鋼，所測得平均硬度值為33.6

69、HRB；對于調(diào)質(zhì)處理（油淬）的45鋼，所測得平均硬度值為19.2 HRC；對于調(diào)質(zhì)處理（水淬）的45鋼，所測得平均硬度值為26.9 HRC。</p><p>　　通過硬度的對比我們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，45鋼的硬度明顯得到提高，而對于不同的淬火介質(zhì)，同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼，水淬處理的硬度要比油淬處理的硬度高。這是由于冷卻速度不同，奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。水冷時的冷卻速度大于臨界冷卻速度VK ，冷

70、卻后得到馬氏體組織，硬度高；在油中冷卻時，得到馬氏體加屈氏體混合組織，經(jīng)過相同的回火后，得到含滲碳體和鐵素體組成含量不同的回火索氏體，所以經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45鋼比退火狀態(tài)的45鋼硬度明顯提高，同時水淬處理硬度比油淬處理試樣的硬度高一些。</p><p><b>　　4.2 拉伸實驗</b></p><p>　　對于拉伸實驗，首先對實驗的目的、實驗設(shè)備、實驗式樣以及拉

71、伸步驟進(jìn)行了解，確定實驗所要進(jìn)行的內(nèi)容；同時為了使實驗測得的材料的力學(xué)性能可以相互比較，對于拉伸的試樣尺寸與形狀按照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬拉伸試驗試樣》獲得。所進(jìn)行試驗的試樣屬于短比例試樣[11]，如圖4.3拉伸試樣圖和圖4.4所示。最后按照拉伸步驟進(jìn)行拉伸試驗并記錄數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖4.3 拉伸試樣圖</p><p>　　圖4.4從左到右依次是45鋼退火組織試樣、</p>

72、;<p>　　調(diào)質(zhì)熱處理試樣（油淬）、調(diào)質(zhì)熱處理試樣（水淬）</p><p>　　4.2.1 強(qiáng)度性能研究</p><p>　　(1） 試驗數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　表4.5拉伸測試結(jié)果(強(qiáng)度指標(biāo))</p><p>　　(2) 實驗數(shù)據(jù)分析</p><p>　　通過表4.5拉伸試驗數(shù)據(jù)可以看到：4

73、5鋼退火狀態(tài)的屈服強(qiáng)度是471.3 Mpa，抗拉強(qiáng)度是693.0 Mpa；調(diào)質(zhì)處理（油淬）后屈服強(qiáng)度是507.0Mpa，抗拉強(qiáng)度是751.6Mpa，調(diào)質(zhì)處理（水淬）后屈服強(qiáng)度是700.6Mpa，抗拉強(qiáng)度是789.8Mpa，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼與退火狀態(tài)的45鋼進(jìn)行對比，調(diào)質(zhì)處理后的45鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯得到提高，總的來說經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼強(qiáng)度得到了提高，而對于不同的淬火介質(zhì)，同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼，水淬處理

74、的強(qiáng)度要比油淬處理的強(qiáng)度度高。</p><p>　　結(jié)合熱處理實驗所得金相組織，同時綜合拉伸試驗，我們可以分析，這是由于45鋼淬火后得到過飽和的α固溶體即淬火馬氏體，它的硬度和強(qiáng)度很高，為了消除淬火時的內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力，淬火的工件及時進(jìn)行回火處理當(dāng)回火溫度達(dá)600℃時，馬氏體則發(fā)生分解，析出極細(xì)的滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織，此時工件強(qiáng)度和硬度有所下降，但總的來說經(jīng)過熱處理的45鋼強(qiáng)度都得到了很好的改善

75、，因此，可以獲得良好的綜合力學(xué)性能，來適應(yīng)制造要求強(qiáng)度較高機(jī)械零件。</p><p>　　4.2.2 塑性性能研究</p><p>　?。?） 試驗數(shù)據(jù)記錄</p><p>　　表4.6拉伸測試結(jié)果(塑性指標(biāo))</p><p>　　(2) 實驗數(shù)據(jù)分析</p><p>　　由表4.6拉伸試驗數(shù)據(jù)可以分析：45鋼退火

76、狀態(tài)的延伸率是48%，斷面收縮率是45%；調(diào)質(zhì)處理（油淬）后延伸率是40%，斷面收縮率是56%，調(diào)質(zhì)處理（水淬）后延伸率是42%，斷面收縮率是60%，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼與退火狀態(tài)的45鋼進(jìn)行對比，調(diào)質(zhì)處理后的45鋼斷面收縮率增大，延伸率有所降低，總的來說經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼塑性有所下降，而對于不同的淬火介質(zhì)，同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼，水淬處理的塑性要比油淬處理的塑性好些。</p><p>　

77、　結(jié)合熱處理實驗所得金相組織，同時綜合拉伸試驗，我們可以分析，這是由于45鋼淬火后得到過飽和的α固溶體即淬火馬氏體，它的硬度和強(qiáng)度很高，而其韌性及塑性則明顯下降，為了消除淬火時的內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力，淬火的工件及時進(jìn)行回火處理當(dāng)回火溫度達(dá)600℃時，馬氏體則發(fā)生分解，析出極細(xì)的滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織，此時工件強(qiáng)度和硬度有所下降，而塑性及韌性則明顯得到提高，總而言之經(jīng)過熱處理的45鋼塑性得到了很好的改善。因此，可以獲得良好的綜

78、合力學(xué)性能，來適應(yīng)制造要求塑性好的機(jī)械零件。</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　通過表4.4和4.5拉伸試驗數(shù)據(jù)可以看到：經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼與退火45鋼進(jìn)行對比，調(diào)質(zhì)處理后的45鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯得到提高，斷面收縮率增大，延伸率有所降低，總的來說經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45鋼強(qiáng)度得到了提高，但塑韌性有所下降；而對于不同的淬火

79、介質(zhì)，同樣的熱處理條件下，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼，水淬處理的強(qiáng)度要比油淬處理的強(qiáng)度度高，塑韌性也相對較好。</p><p>　　結(jié)合熱處理實驗所得金相組織以及布氏硬度、洛氏硬度試驗，同時綜合拉伸試驗，我們可以分析，這是由于45鋼淬火后得到過飽和的α固溶體即淬火馬氏體，它的硬度和強(qiáng)度很高，而其韌性及塑性則明顯下降，為了消除淬火時的內(nèi)應(yīng)力和組織應(yīng)力，淬火的工件及時進(jìn)行回火處理當(dāng)回火溫度達(dá)600℃時，馬氏體則發(fā)生分解，析

80、出極細(xì)的滲碳體顆粒，從而使基體分解為索氏體組織，此時工件強(qiáng)度和硬度有所下降，而塑性及韌性則明顯得到提高，總而言之經(jīng)過熱處理的45鋼強(qiáng)度、硬度以及塑韌性都得到了很好的改善，因此，可以獲得良好的綜合力學(xué)性能，來適應(yīng)制造要求強(qiáng)度較高，塑性韌性也好的機(jī)械零件。</p><p>　　5 45鋼油淬過程溫度場模擬</p><p>　　5.1 有限元模擬技術(shù) </p><p>

81、;　　在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于許多力學(xué)問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應(yīng)遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相應(yīng)的定解條件。但能用解析方法求出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕喈?dāng)規(guī)則的問題。對于大多數(shù)問題，由于方程的某些特征的非線性性質(zhì)，或由于求解區(qū)域的幾何形狀比較復(fù)雜，則不能得到解析的答案，這類問題的解決途徑通常有兩種途徑。一是引入簡化假設(shè)，將方程和幾何便捷簡化為能夠處理的情況，從而得到問題在簡化狀態(tài)下的解答。但是這

82、種方法只是在有限的情況下是可行的，因為過多的簡化導(dǎo)致誤差很大甚至錯誤的解答。因此人們多年來尋找和發(fā)展了另一種途徑和方法——數(shù)值解法，特別是近三十年來，隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)值分析法已經(jīng)成為求解科學(xué)技術(shù)問題的主要工具。而有限元法的出現(xiàn)，是數(shù)值分析方法研究領(lǐng)域內(nèi)的重大性突破[12]。</p><p>　　有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元組合體。由于單

83、元能按不同的連接方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解區(qū)域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個重要特點是利用在每一個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示全求解區(qū)域上待求的未知場函數(shù)，單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其差值函數(shù)來表達(dá)。這樣一來，一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求

84、解出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解[13]。</p><p>　　而其中ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、

85、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計算機(jī)及操作系統(tǒng)中運行，從PC機(jī)到工作站直至巨型計算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容[14]。ANSYS多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計算，如：熱-結(jié)構(gòu)耦合、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱耦合，在PC機(jī)上生成的模型同樣可運行與巨型機(jī)上，這樣就確保了ANSYS對

86、多領(lǐng)域多變工程問題的求解。該軟件提供了一個不斷改進(jìn)的功能菜單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、計算流體動力學(xué)分析、設(shè)計優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計語言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能。另外，ANSYS可與許多先進(jìn)的CAD軟件共享數(shù)據(jù)，并為各個工業(yè)領(lǐng)域的用戶提供了分析各種問題的能力。ANSYS設(shè)計數(shù)據(jù)接口程序提供完全與設(shè)計數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的分析方案，并能通過良好的用戶界面完成分析。利用ANSYS<

87、;/p><p>　　表5.1熱分析基礎(chǔ)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5.2 熱分析單位換算表</p><p>　　其中穩(wěn)態(tài)傳熱對于分析穩(wěn)定的熱載荷在系統(tǒng)或某一部件的影響，一般情況下在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前都會進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，這樣可以確定初始溫度分布。穩(wěn)態(tài)熱分析一般可

88、以在有限元計算中確定穩(wěn)定熱載荷得到溫度、熱量梯度、熱流率等參數(shù)的情況。</p><p>　　瞬態(tài)熱分析是用于分析計算隨時間變化的溫度場和其他熱參數(shù)的系統(tǒng)。研究上基本用瞬態(tài)熱分析分析溫度場，作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)熱分析的步驟類似于穩(wěn)態(tài)熱分析。它們的主要區(qū)別是各自的載荷是隨時間的變化是否發(fā)生變化。時間在穩(wěn)態(tài)熱分析中僅用于計數(shù)，現(xiàn)在有了明確的物理意義。熱能存儲效應(yīng)在穩(wěn)態(tài)分析忽律其影響，在瞬態(tài)分析要考慮進(jìn)去?！皶r間

89、”在兩者中都用作步進(jìn)參數(shù)。每個載荷步和子步都和特定的時間有關(guān)系，即使求解本身可能不隨速率而變化。但無論是穩(wěn)態(tài)熱分析還是瞬態(tài)熱分析，均可將熱分析分為三個步驟：前處理，進(jìn)行建模；求解，施加載荷計算結(jié)果；后處理，查看結(jié)果。</p><p>　　5.2 溫度場模擬</p><p>　　5.2.1 有限元模擬過程</p><p><b>　?。?）建模方案<

90、/b></p><p>　　45鋼熱處理油淬冷卻過程屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。我們可取45鋼熱處理試樣為圓柱體，設(shè)圓柱底面半徑R=10mm，高H=14mm。由于該45鋼熱處理試樣為圓柱體，為軸對稱模型，同時旋轉(zhuǎn)面也是上下對稱，故可以取該圓柱的一旋轉(zhuǎn)面的一半，建立一個二維模型，使模擬過程得以簡化。取室溫為20℃，將加熱到840℃的45鋼放入處在室溫下的礦物油中進(jìn)行淬火。對于礦物油查得確定其對流系數(shù)為70W/（㎡?s

91、），在模擬中統(tǒng)一單位為國際單位。</p><p>　　圖5.1 45鋼圓柱體試樣模型 （單位：mm ） 圖5.2 溫度場模擬模型及建模面</p><p>　　圖5.3 圓柱體縱截面 （單位：mm ） 圖5.4 建模截面 （單位：mm）</p><p>　?。?） 模擬實驗步驟</p><p>　　第一步：

92、 建立工作文件名和工作標(biāo)題</p><p>　?、賳覣NSYS，修改工作文件名為45GANG。選擇Utility Menu＞File＞Change Jobname，在彈出的對話框中輸入45GANG ，然后點擊OK。</p><p>　?、谶x擇Utility Menu＞File＞Change Title，在彈出的對話框中輸入Temperature field simulation，然后點擊

93、OK。</p><p>　　第二步：定義單元類型</p><p>　?、龠x擇Main Menu＞Preprocesor＞Element Type＞Add/Edit/Delete,在彈出對話框中選擇Thermal Solid和Quad 4node 55,點擊OK后在單元增添對話框中，選擇PLANE55單元，然后點擊Options。在對話框中的K3中選擇Axisymmetric，點擊OK，然后

94、點擊Close。</p><p>　　第三步：定義材料性能參數(shù)[16]</p><p>　　45鋼的相關(guān)熱物性參數(shù)如表5.3</p><p>　　表5.3 45鋼熱物性參數(shù)</p><p>　?、龠x擇Main Menu＞Preprocesor＞Material Props＞Temperature Units，在彈出的Specify Tem

95、perature Units對話框中選擇Celsius，表明以攝氏零度作為溫度起點。</p><p>　　②定義坯料與溫度相關(guān)的熱導(dǎo)率：選擇Main Menu＞Preprocesor＞Material Props＞Material Models,然后選中材料1，點擊對話框右側(cè)的Thermal＞Conductivity＞Isotropic,在彈出的坯料熱導(dǎo)率輸入對話框中點擊Add Temperature。增加溫度到

96、T9后輸入坯料參數(shù)。點擊Graph,坯料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線如圖5.5所示，然后點擊OK，關(guān)閉設(shè)置界面。</p><p>　　圖5.5 坯料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線</p><p>　?、鄱x坯料與溫度相關(guān)的比熱容：點擊Thermal＞Specific Heat＞Isotropic,彈出比熱容輸入對話框，輸入材料參數(shù)。點擊Graph,坯料比熱容隨溫度變化曲線如圖5.6所示，然后點擊OK，關(guān)閉設(shè)

97、置界面。</p><p>　?、芏x坯料密度：點擊Thermal＞Density,在彈出對話框中輸入坯料密度。點擊OK。</p><p>　　圖5.6 坯料比熱容隨溫度變化曲線</p><p>　　第四步：創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格</p><p>　　建立坯料幾何模型:選擇Main Menu＞Preprocesor＞Modeling＞Creat

98、＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions,按圖5.7所示在彈出的對話框中輸入?yún)?shù)后單擊ok。</p><p><b>　　圖5.7 模型建立</b></p><p>　　設(shè)置單元個數(shù):選擇Main Menu＞Preprocesor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞All Lines命令，出現(xiàn)Element

99、Size on All Selected Lines菜單，在NDIV文本框中輸入單元個數(shù)20，單擊ok按鈕關(guān)閉該對話框；選擇Main Menu＞Preprocesor＞Mesh＞Areas＞Free出現(xiàn) MeshAreas對話框，選擇Picked All，單擊ok按鈕關(guān)閉該對話框。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5.8。</p><p>　　圖5.8 網(wǎng)格劃分結(jié)果</p><p>　　單擊工具欄中的SAV

100、E-DB按鈕，保存模型。</p><p><b>　　第五步：加載求解</b></p><p>　　① 設(shè)置分析類型：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis,在彈出的New Analysis對話框中選擇分析類型為Transient，單擊ok按鈕，在彈出的Transient Analysis對話框中選中Full單選

101、框，單擊ok按鈕，完成分析類型的選擇。</p><p>　?、谠O(shè)置初始溫度：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Initial Conditi’n＞Define，在彈出的節(jié)點拾取對話框中，單擊Pick All按鈕后立即彈出Define Initial Conditions對話框。選擇自由度為TEMP，并設(shè)置初始溫度為840℃，單擊ok按鈕，完成初始溫度設(shè)置。</p

102、><p>　?、?施加外邊界條件：選擇Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection＞On Lines，彈出線拾取對話框，選中模型的外部邊界后，單擊拾取對話框的ok按鈕，此時彈出Apply CONVC on Lines對話框，在其中Film coefficient一欄中輸入70，表明對流傳熱系數(shù)為70W/（㎡?s）；在Bulk temperature一

103、欄中輸入20，表明最終冷卻溫度為20℃，然后單擊ok。</p><p>　?、茉O(shè)置時間和載荷步：選擇Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Time/Frequenc＞Time-Time Setup，彈出Time and Time Step Options對話框，在Time一欄中輸入分析的最終時間900，在時間步長一欄中輸入步長時間1；在加載方式單選按鈕中選擇Stepped，單擊ok按

104、鈕，完成時間和載荷步的設(shè)置。</p><p>　?、菰O(shè)置結(jié)果輸出項：選擇Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Results Files，彈出Controls for Database and Results File對話框。在Item下拉列表中選擇All items表明輸出所有計算結(jié)果。同時在FREQ欄中選擇Every Substep，表明為每計算完

105、一個子步距輸出該子步對應(yīng)的計算結(jié)果。單擊ok按鈕，完成結(jié)果輸出控制的設(shè)置。</p><p>　?、耷蠼猓哼x擇Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS，單擊ok按鈕，求解開始。求解完畢后會彈出提示對話框。單擊提示對話框中的ok按鈕，則求解結(jié)束。</p><p>　　5.2.2 模擬結(jié)果與分析</p><p>　　(1) 獲取溫度分布圖&

106、lt;/p><p>　?、?進(jìn)入通用后處理器，選擇第60秒的計算結(jié)果。選擇Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Pick在彈出的Results Files對話框中，選擇時間為的一項60，單擊Read按鈕后，第60秒的結(jié)果將被讀入通用后處理器。接著單擊Close按鈕，關(guān)閉該對話框。</p><p>　?、?繪制第60秒時旋轉(zhuǎn)面的溫度分布：選擇Mai