T12钢热处理过程温度场的数值模拟.docx
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T12钢热处理过程温度场的数值模拟
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名:
毕业设计任务书
设计题目：
T12钢热处理过程温度场的数值模拟
系部：
机械工程系专业:
材料成型及控制工程学号:
112018214
学生：
指导教师（含职称）：
（副教授）
1.课题意义及目标
学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解T12
钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉T12钢的热处理工艺方法；熟悉ANSYS软件；掌握ANSYS软件计算热处理过程温度场的方法，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。
2.主要任务
（1）制定T12钢热处理工艺。
（2）模拟计算热处理加热过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。
（3）模拟计算热处理冷却过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。
（4）分析热处理过程温度场分布对T12钢组织和力学性能的影响。
（5）撰写毕业论文。
结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。
3.主要参考资料
[1]刘旭麟，高路斯，刘顺华，等.T8钢淬火热处理组织的计算机模拟研究[J].热加工工艺，2006，35（6）:
44-46.
[2]张建峰，王翠玲，吴玉萍，等.ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[J].冶金能源，2004，（05）:
9-13.
[3]朱圆圆，祁文军，易挺，等•钢件淬火过程温度场的数值模拟[J].新技术新工艺，2008，（11）:
97-99.
[4]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京，机械工业出版社，2007:
230-308
4•进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1阅读文献，了解研究目的意义制定热处理
3月3日~3月23日
2软件学习，完成加热过程温度场计算
3月24日~4月13日
3完成冷却过程温度场计算
4月14日~5月4日
4进行结果分析
5月5日~6月1日
5完成撰写及答辩工作
6月2日~6月22日
T12钢热处理过程温度场的数值模拟
摘要：
本文采用ANSYS有限元软件，建立了T12钢有限元模型，对T12钢热处理过程的二维轴对称温度场进行了分析计算，得到了T12钢热处理过程不同时刻的温度场分布和钢件上所选特定点温度分布。
结果表明温度场的计算机模拟可以快速准确的获得任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。
尽管本文对相变潜热
忽略和数值计算模型本身就有的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但模拟出来的温度场变化规律是合理的。
关键词：
T12钢，热处理，温度场，有限元模拟
NumericalSimulationofTemperatureFieldinHeatTreatment
ProcessofT12Steel
Abstract：
Inthispaper,fieldelementmodelarebuiltandtwodimensionalaxis-symmetrictemperaturefieldintheprocessofheattreatmentofT12SteelissimulatedwithfiniteelementsoftwareofANSYS.Thetemperaturefieldatdifferentmomentsandtemperaturedistributionofselectedspecialpointsareobtained.ThesimulationresultsshowthatthechangeoftemperatureovertimeofinternalpositionoftheT12steelcanquicklyandaccuratelyobtain.Therearesomeerrorsintemperaturefieldsimulation.Althoughweignorethelatentheatandthenumericalmodelofinherenterror,itisreasonabletosimulatethetemperaturefieldvariation.
Keywords:
T12steel,Heattreatment.Temperaturefield,Finiteelementsimulation
1前言1
1.1研究目的及意义1
1.2温度场数值模拟技术的国内外研究进展2
1.3本文研究的内容2
1.4本章小结3
2有限元法概述4
2.1数值模拟的基本概述4
2.2ANSYS有限元软件4
2.2.1ANSYS的概述5
2.2.2ANSYS的功能5
2.2.3ANSYS的用户界面7
2.2.4ANSYS分析的基本过程8
2.3温度场计算基本原理9
2.3.1温度场9
2.3.2温度场控制方程9
2.3.3初始条件和边界条件9
2.3.4热物性参数的选择和相变潜热的处理10
2.3.5瞬态非线性温度场的求解10
2.4本章小结11
3碳素工具钢及其热处理工艺研究12
3.1碳素工具钢12
3.2热处理简介和碳素工具钢的热处理12
3.3T12钢的热处理工艺错.误！
未定义书签。
3.3.1T12钢的物性参数13
3.3.2T12钢的热处理工艺14
3.4本章小结15
4有限元模拟过程错..误！
未定义书签。
4.1有限元建模16
4.2有限元模拟具体步骤16
4.3结果与分析22
4.3.1球化退火过程温度场结果和分析22
4.3.2淬火过程温度场结果和分析25
4.3.3回火过程温度场结果和分析28
4.4本章小节30
5结论31
参考文献32
致谢34
丄、八—
1前言
碳素工具钢资源丰富、易于锻造成形、切削加工性能好、原料来源方便、便于回收利用，经热处理后能够得到高的硬度和高的耐磨性。
在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。
全球诸多工业国家，在努力提高低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也高度关注改进碳素钢的各项力学性能，扩展其品种和应用领域目前，碳素钢的产量约占钢总产量的80%左右，它不仅广泛应用于路桥、轨道交通、汽车、船舶、建筑、军工和机械制造工业，而且在近代的海洋幵发、航天工程等方面也得到广泛使用。
1.1研究目的及意义
在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。
但随着科学技术的进一步发展，对碳素工具钢零件的性能和可靠性要求越来越高。
碳素工具钢零件的内在性能和可靠性除了与材料成分特性有关外，更是与其热处理工艺方式密不可分。
合理的热处理工艺可以有效的优化零件内部组织分布、控制晶粒尺寸、改善应力状态，
从而更好的发挥碳素工具钢的潜力，扩大其应用范围。
由此可见在现代工业中热处理具有十分重要的地位。
在热处理过程中，温度是涉及所有热处理工艺过程的基本参数。
温度的变化直接决定工件内部显微组织结构及热处理后工件内部的残余应力⑴。
因此在热处理过程中
对零件的温度场进行研究具有重要的实际意义。
在理论上对温度场的解析是很困难的，甚至于是不可能的。
采用物理模拟方法对温度场模拟进行研究也存在很大的局限性。
因此借助先进的计算机技术，应用数值模拟的方法对热处理过程温度场的研究具有十分重要的意义。
目前常用作数值模拟的有限元软件主要有NASTRAN、ASKA?
ANSYS、COSMAP等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了非常好的成果。
在这些有限元软件中，ANSYS软件不仅可以将热处理过程动态、逼真的模拟出来，还可以清晰直观的显示热处理过程任意时刻、任意节点的温度分布⑵。
因此本文采用ANSYS软件对T12钢热处理过程温度场进行模拟。
1.2温度场数值模拟技术的国内外研究进展
早期人们采用人工测量、经验判断或两者相结合来研究热处理过程的温度场。
随着计算机和数值模拟技术的日益发展，人们开始采用数值模拟来对热处理过程的温度场进行研究，并取得了很大的进展。
国外在温度场计算方面的研究起步较早，19世纪70年代左右己经实现了非稳态温度场的数值计算；随后，在热处理过程温度场数值计算中开始考虑相变潜热释放、对流换热系数的选取和热物理性参数等非线性因素⑻。
21世纪以后，国内外公司和学者先后开发了HEARTS、SYSWELD、DEFORM、DANTE、ThermalProphetABAQUS、ANSYS、MARC等大型有限元软件。
这些软件广泛应用于热处理的正火、退火、淬火、回火、渗碳渗氮、感应加热及金属再结晶、晶粒长大等现象中的数值模拟。
我国开展热处理数值模拟工作比较晚，首先是一些学者和留学生开始了这方面的
研究［4］。
二十世纪八十年代后，国内的一些大学，公司开始陆续开展研究工作；殷雯等通过求解碳钢零件淬火过程温度场的分布，得出了一种不需要由实验测量的平面及
轴对称零件淬火冷却时温度分布的确定方法［5］;朱圆圆等采用ANSYS对45钢淬火过程温度场进行了研究，得出了淬火时45钢应选用的合理淬火介质以及淬火的时间控制⑹。
目前数值模拟不仅能对热处理温度场进行动态、逼真的模拟，它还可以预测工艺结果是否符合组织、性能要求，进行安全评估等。
利用数值模拟不仅可以对现行工艺进行校核，而且可以优化工艺方案和参数，从而使热处理工艺的制定建立在更可靠的科学基础上。
通过各国学者的不断努力热处理温度场的数值模拟将不断完善并走上实用化。
1.3本文研究的内容
本文以T12钢为代表的碳素工具钢为研究对象，利用有限元软件ANSYS，模拟
热处理过程中T12钢的温度场。
在热处理过程中温度是基本的参数，它对产品的结构和尺寸有着重要的影响，因此在设计和加工过程中要充分考虑温度这个因素。
可见对热处理过程中温度场的数值模拟具有重要的工程实际意义。
本文主要进行以下几方面
工作：
1）了解碳素工具钢和热处理规范，能够制定出T12钢合理的热处理工艺。
2）介绍了有限元软件ANSYS和其热分析功能，并简述了数值模拟技术和有限单元法。
3）根据传热学和热力学第一定理等基本原理，建立了轴对称温度场的微分方程，并讨论了热处理过程的初始条件和边界条件。
4）讨论了瞬态温度场非线性的求解和相变潜热对温度场的影响，并讨论热处理过程中工件表面的综合换热系数的选择。
5）建立T12钢二维温度场有限元模型，并在模型中考虑了材料非线性的影响。
6）对制定的T12钢热处理工艺进行了数值模拟计算，并分析热处理过程温度场分布对T12钢组织和力学性能的影响。
温度场数值模拟的现实意义在于，根据对热处理过程温度场的数值模拟，可以为热处理加热和冷却的时间提供参考，并为合理选择加热参数提供了理论依据。
现在的好多文献都是研究淬火过程，对其他热处理工艺数值模拟研究很少，本文对除淬火外热处理工艺的研究为其他学者提供了一个参考。
1.4本章小结
本章对研究本课题的目的、意义和国内外研究进展进行了简单的综述，最后确定本文的研究内容。
2有限元法概述
2.1数值模拟的基本概述
数值模拟⑺（计算机模拟）是借助计算机来研究复杂现象的一种近似求解的数学方法，通俗的来说就是用计算机来做实验。
计算机模拟技术可以对热处理方式实现安全评估、预测热处理方式是否满足所要的微观组织、晶粒大小的要求、有效反应热处理过程温度场的变化规律。
目前，由于等各种学科不断融合与发展，使数值模拟技术在热处理领域得到广泛应用。
数值模拟主要有建立描述问题的数学模型、查找解决问题的高准确度和高效率的
计算方法、编写程序进行计算、对得到的数据进行处理与分析等几个步骤⑹0
数值模拟经常使用的方法有有限元差分法、有限元法、边界元法等。
过去大都采用有限元差分法，但是它只是单纯的考虑了节点之间的关系，在处理复杂的问题时有很大的局限性⑶。
目前国内外采用有限元法，因为它还考虑了单元内的变化及单元间的相互作用，这样会使数值模拟的结果更精确。
有限单元法一般用于数理方程问题的求解计算［10］0早期有限单元法融合了计算数学、弹性理论以及计算机技术所涉及的相关理论。
因为有限元法具有快速、灵活、有效性等特点，因此有限单元法很快发展成为求解各领域数理方程问题的一种近似的通用计算方法［11］。
有限单元法把求解区域分成若干个单元，每个单元在节点处互相链接，从所建
立的模型中可以看出方程的分片近似解。
由于有限单元法它可以把模型分割成很细的
网格，所以它可以适应复杂多变的边界条件、几何轮廓、材料特性等问题。
目前著名的有限元软件有：
ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP等。
以ANSYS为代表有限元软件，融合了计算机领域的核心研究成果，将计算机绘图与有限元分析方法融合［12］。
这些使ANSYS成为现代社会解决工程实际问题的主要工具。
现在ANSYS可以求解由板、壳、块体、杆、梁等各类单元构成的塑性、弹塑性问题及求解各类场的分布问题，例如组织场、温度场、应力场等的稳态或瞬态问题，特别的是对温度场分布问题的解决。
2.2ANSYS有限元软件
2.2.1ANSYS的概述
ANSYS软件［13］是国际上第一个通过IS09001质量认证的大型有限元分析设计软件。
它把结构学、热学、流体学、电磁学、声学等汇聚于一体，在各个行业领域得到了广泛的应用。
目前ANSYS还在不断的发展，其功能正在日益完善。
它现在已经可以进行结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格分析等功能。
虽然ANSYS软件的功能强大，但其操做很符合人性化，这也是它的一大优点。
如图2.1既为ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口。
ANSYSMultiphysicsUtilityMenu
Mck3m-
nijitemprwrrtur田门ANSVSCornin^ind（.BEG!
N）
图2.1ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口
2.2.2
ANSYS的功能
利用ANSYS软件可以进行结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析。
本课题主要分析热处理过程温度场分布，即主要使用ANSYS软件的热分析功能。
热分析［14］是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。
下面详细介绍热分析。
1）ANSYS热分析的基本原理
ANSYS进行热分析计算基本原理［15］是首先把模型划分成有限元单元，然后根据能量守恒第一定律求解在一定初始条件和边界条件下每个单元的热平衡方程，计算出
各单元的温度值，求解温度场分布或其他相关量。
原则上来说单元划分的越细小，模拟出来的结果就越精确。
但是单元划分的太细会增加计算量，影响运算速度。
一般在温度变化剧烈的局部网格划分的密一些，其他部位可以划分的简单一点［16］。
这样不但提高了模拟精度也提高了运算速度。
2）ANSYS热分析分符号与单位
热分析中基本符号及国际单位见表2.1所示。
表2.1热分析基础单位
项目
国际单位
ANSYS代号
长度
…m
时间
s
质量
Kg
温度
C
力
N
能量（热量）
J
功率（热流率）
W
热流密度
W/m2
生热速率
W/m3
导热系数
W/m-C
KXX
对流系数
W/m2-C
HF
密度
Kg/m3
DENS
比热
J/Kg-C
C
焓
J/m3
ENTH
3）ANSYS热分析分类
ANSYS热分析分为稳态传热和瞬态传热，稳态传热是系统的温度场不随时间变化，瞬态传热是系统的温度场随时间的变化有显著的变化。
4）热传递的方式
根据能量传递的原理不同，热传递方式有热传导、热对流和热辐射。
5）热分析的功能
ANSYS热分析以能量守恒原理的热平衡方程为基础，用有限元单元法计算各节点的温度，从而求解出所需要的物理量。
目前ANSYS不但可以研究热处理过程温度场的分布，还可以研究材料的固化和溶解过程的相变分析能力。
2.2.3ANSYS的用户界面
启动ANSYS后，将进入如图2.2所示的图形用户界面，其中主要包括菜单栏、快捷工具条、工具条、输入窗口、显示隐藏对话框、主菜单、图形窗口、视图控制栏、输出窗口和状态栏十个部分•
图2.2ANSYS14.0图形用户界面
菜单栏中还有多个下拉菜单，囊括了ANSYS的绝大部分系统环境配置功能，在软件运行的任何时候都能访问该菜单；快捷工具条是作为打开、保存文件等功能的快
捷方式出现的；工具条是执行命令的快捷方式，多用与存档和恢复上次存档的操作；
输入窗口中可以输入各种命令，而且ANSYS将会自动匹配待选命令的输入格式；显示隐藏对话框可以显示由于对话框重叠而隐藏的对话框；主菜单几乎包括ANSYS分
析过程中的所有的命令，前处理器、求解器、后处理器等都位于此菜单；图形窗口用于显示ANSYS的分析模型、划分的网格等各种信息；视图控制栏可以对图形窗口中所建模型进行视图操作，来调整到用户最佳的视图角度；输出窗口用来显示ANSYS
软件操作时输入命令的反馈信息；状态栏显示ANSYS的一些当前信息，如当前所在模块、材料属性、系统坐标等。
2.2.4ANSYS分析的基本过程
ANSYS的分析过程包括三个主要的步骤：
前处理、加载并求解和后处理。
[ANSYS分析^
的基本过程
图2.3ANSYS分析的基本过程
2.3温度场计算的基本原理
温度是涉及所有热处理过程的基本参数，它的分布影响零件的应力场和组织场，它是影响热处理数值模拟计算准确性的关键，因此温度场的模拟是热处理过程数值模拟的最主要的内容。
为了保证温度场数值模拟的准确性，在温度场计算模型中必须考
虑初始条件、边界条件、材料热物性参数非线性等因素对温度场模拟的影响。
2.3.1温度场
温度场是在不同时刻物体内部各点温度分布的总称。
温度场分为稳态温度场与非稳态温度场。
稳态温度场各点的温度不随时间的变化而改变。
非稳态温度场内各点的温度随时间的变化而改变，它是坐标与时间的函数[17]。
2.3.2温度场控制方程
本文对热处理过程温度场的传热理论及模型进行了研究。
在热处理加热或冷却过
程中，工件内部的热量是以热传导方式传递的，工件表面主要是通过介质与钢件表面的热对流传递热量。
虽然不同的学者建立的数学模型和处理方法不一样，但其数学物理基础是一致的。
考虑到工件为圆柱体，为了方便简化，采用圆柱体的半个截面来进行研究。
本文采用的轴对称传热温度场控制微分方程[18]为
TTT
c（k）（k）Q
txxyy
式中，丫为密度
c为比热容
K为导热系数
Q为相变潜热
t为传热时间
这些参数中K、C都随温度变化而变化。
2.3.3初始条件和边界条件
上面轴对称传热温度场微分控制方程是泛定方程，为了获得定解，需要给出微
分方程的边界条件及初值条件［18］。
初始条件是指初始温度场，是计算的出发点。
在本文的热处理加热或冷却过程中定为均匀温度场，即某一确定温度。
热处理的边界条件是工件在加热或冷却过程中与外界环境之间复杂的换热情况，想要得到温度场控制方程的定解，不仅要知道初始条件还需要给出求解过程的边界条件。
在本文热处理加热和冷却过程中，在钢件表面和介质是通过热对流来传递热量，它属于第三类边界条件［19］，其公式如下：
=HK（TW一TC）
式中，Tw表示工件表面温度
Tc表示与工件表面接触的流体温度
HK表示对流换热系数
2.3.4热物性参数的选择和相变潜热的处理
热物性参数主要是指导热系数■、密度r和定压比热Cp。
一般来说热处理数值模拟用到的热物性参数不是常数，它们随组织、温度变化而变化的［19］。
在热处理中
各节点一般不是单一的组织，这种情况下就需要根据不同温度、不同组织的含量计算此节点某一时刻的热物性参数。
但对于常见的材料，我们可以查阅有关专著手册获得。
本文通过查阅相关论文和《实用热物性质手册》获得的。
物质在发生相变时会有热量的吸收或释放，我们把这热量称为相变潜热。
根据经验，钢在加热或冷却过程中会伴随相变潜热的释放或吸收，因此会对工件的温度场分布产生影响。
研究工作人员一般采用等价比热容法、温度回升法、热焓法来解决这一问题［20］。
在本文中由于相变潜热的释放对温度场的影响很小，所以忽略不考虑。
2.3.5瞬态非线性温度场的求解
在对零件加热或冷却过程中，虽然初始温度均匀，但加热或冷却开始后，工件内部温度分布差异比较大。
除此外材料的热传导系数、边界换热系数、材料密度等热
物性参数随时间的变化而改变，因而在模拟过程中很容易形成数据的不准确。
对于瞬态问题的温度场，我们一般采用局部网格加密化法来解决这一问题。
局部网格细化，是针对零件内部温度分布差异大的情况。
对于加热或冷却过程，工件边界在极短时间内温度急剧变化，材料的热物性参数变化大，对于这些区域为了保证计算结果的正确性及避免产生数值振荡，应该对这些区域进行局部网格细化。
2.4本章小结
本章首先对数值模拟技术进行了概述，然后介绍了ANSYS有限元软件，最后介
绍了温度场计算原理，为以后软件的操作打下了坚实的基础。
3碳素工具钢及其热处理工艺研究
碳素工具钢由于其低廉的价格、简单的成型工艺、较好的力学性能和工艺性能，使其成为工业上广泛应用的金属材料。
碳素工具钢也用某些不足，如淬透性差、回火抗力较差。
但我们可以通过热处理来改善这些，使碳素工具钢的应用更加广泛。
3.1碳素工具钢
碳素工具钢［3］是用来制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的碳素钢。
它有着较高的耐磨性、较高的硬度、适当的韧性和高温下较好的红硬性。
碳素工具钢一般用“T+数字”来表示，其后的数字表示含碳的千分之几。
碳素工具钢的碳的含量为0.65%
~1.35%。
随着含碳量的提高，碳素工具钢的耐磨性有所提高，但韧性会有所下降［21］。
碳素工具钢的成分及应用见表3.1。
表3.1常用碳素工具钢牌号、成分和用途
钢化学成分（％）应用举例
号CMnSiSP
T80.75~0.20~0.15~<0.030<0.035制造承受震动与冲击载荷、要求足够韧性和较
0.840.400.35高硬度的各种工具，如简单模子、冲头、剪切金属
用剪刀、木工工具等
T100.95~0.15~0.15~<0.030<0.035制造不受突然震动、在刃口上有少量韧性的工
0.1040.350.35具，如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯锯条、卡尺
T121.15~0.15~0.15~<0.030<0.035制造不受震动的、要求较高硬度的工具，如钻
1.240.350.35头、丝锥、锉刀、刮刀等
3.2热处
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