45钢热处理油冷过程分析毕业作品.docx
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45钢热处理油冷过程分析毕业作品
任务书
设计题目：
45钢热处理油冷过程分析
1．设计的主要任务及目标
建立有限元模型，模拟45钢热处理油冷过程温度场分布；通过实验研究，分析热处理前后45钢组织和力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。
2．设计的基本要求和内容
1）设计的基本要求：
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；论文格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。
2）设计内容：
模拟45钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系；研究45钢热处理前后组织及力学性能的变化；与45钢水淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。
3．主要参考文献
1）ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[J].冶金能源，2004（05）
2）钢件淬火过程温度场的数值模拟[J].热加工工艺技术与材料研究，2008（11）
3）ANSYS10.0热分析教程与实例解析
4）45钢零件淬火过程温度场分布的数值模拟[J].重庆大学学报，2003（03）
5）材料科学基础（铁碳合金相图与热处理部分）
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献，了解软件，完成开题报告
2014.01.10至2014.03.10
2
阅读文献，深入学习软件，确定实验方案
2014.03.10至2014.03.31
3
进行模拟计算和试验，准备中期检查
2014.04.01至2014.04.20
4
完成模拟计算和试验及结果分析
2014.04.20至2014.05.15
5
撰写毕业论文，准备答辩
2014.05.15至2014.06.05
45钢热处理油冷过程分析
摘要:
45钢是中碳优质结构钢，Wc=0.45%，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。
常应用于小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等，它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用[1]。
对于性能要求高的零件，必须进行调质处理。
而对45钢进行调质热处理，为了得到回火索氏体，而使其具有良好的综合力学性能。
本文研究课题通过实验和软件模拟，包括对45钢热处理油淬以及对热处理前后45钢的力学性能测试并进行前后对比，同时与水淬进行比较，由于工件在淬火过程中因内外温差会导致热应力和组织应力的产生，利用有限元ANSYS软件对45钢热处理油淬过程的温度场进行模拟，分析工件的各个部分在热处理油淬过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。
关键词：
45钢，热处理，力学性能，温度场模拟
Heattreatmentof45steeloilcoolingprocessanalysis
Abstract:
45steeliscarboninthehigh-qualitysteel,Wc=0.45%,hotandcoldprocessingperformanceisgood,bettermechanicalproperties,andlowprice,widesource,sowidelyused.Oftenusedinthesmallcrosssection,theloadofconditioningparts,suchasmainshaft,crankshaft,gear,connectingrod,sprocket,etc.，Itisthebiggestweaknessoflowhardenability,sectionsizeandrequirehigherartifactsshouldnotbeused[1].Forthehighperformancerequirementsofparts,conditioningtreatmentmustbecarriedout.Andtemperingheattreatmentof45steel,inordertogettemperedsorbiteandmakeithasgoodcomprehensivemechanicalproperties.
Thispaperresearchtopicthroughexperimentandsoftwaresimulation,includingheattreatmentoilquenchingof45steelandthemechanicalpropertiesof45steelbeforeandaftertheheattreatmenttestandcomparedbeforeandafter,atthesametimecomparedwithwaterquenching,becauseoftheworkpieceduringquenchingbecauseofinternalandexternaltemperaturedifferencewillleadtothegenerationofthermalstressandorganizationstress,usingthefiniteelementANSYSsoftwareof45steeloilquenchingheattreatmentprocess,tosimulatethetemperaturefieldoftheanalysisofvariouspartsoftheworkpieceintheprocessofoilquenchingheattreatmenttemperature,inordertooptimizetheheattreatmentprocess,theworkpieceafterheattreatmenttoobtaingoodperformancetoprovideacertainbasis.
Keywords:
45steel,heattreatment,mechanicalproperties,thetemperaturefieldsimulation
1绪论
工业用钢是经济建设中使用最广，用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。
工业用钢中的碳素钢，由于价格低廉，便于冶炼，容易加工，且通过含碳量的增减和不同的热处理可使其性能得到改善，因此能满足很多生产上的要求，至今仍是应用最广泛的钢铁材料。
作为当今社会应用最广泛的材料之一，其在结构材料中的使用，它的性能在很高层面上决定了产品的质量,因此它性能的提升具有重要的意义[1]。
结构钢是用于制造各种工程结构和各种机器零件的钢种，如船舶、桥梁、车辆、压力容器以及轴、齿轮、各种联接件等，其中用于制造工程结构的钢又称为工程用钢或构件用钢；机器零件用钢则包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等[2]。
45钢是中碳优质结构钢，Wc=0.45%，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。
常应用于小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等。
它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用[1]。
对于性能要求高的零件，必须进行调质处理。
而对45钢进行调质热处理，为了得到回火索氏体，而使其具有良好的综合力学性能。
热处理工艺不改变45钢的外形，通过热处理能充分发挥45钢的潜力，并赋予45钢所需要的各种性能，达到提高45钢质量，延长使用寿命，确保机器安全可靠运行的目的。
而在热处理淬火工艺中冷却性能是淬火介质重要的性能，它的好坏直接影响到淬火零件的质量，良好的冷却性能可保证淬火后的零件具有一定的硬度和合格的金相组织，可以防止零件变形和开裂[3]。
热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。
估算和控制工件的温度场，分析不同条件下，不同材料及几何形状对温度场变化的影响，防止工件缺陷的产生[4]。
热分析在工业生产及科学研究中具有重要作用，而且钢铁行业投资大，工艺复杂，进行有限元模拟分析尤为重要。
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上著名的有限元软件公司——美国ANSYS公司开发[5]。
利用ANSYS软件的热分析模块对钢件淬火过程进行建模、分网、加载及求解，得到钢件淬火不同时刻的温度场，模拟过程对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据，对淬火过程中的热应力、残余应力计算提供温度边界条件[6]。
同时ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中，很好的结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算，通过利用ANSYS有限元软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到零件温度随淬火时间的分布关系。
模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程的热应力、残余应力做好准备工作[7]。
45钢作为中碳优质结构钢，在使用前必须对其进行热处理，方能满足对其性能的要求。
而热处理分为加热、保温、冷却三个过程，然而工件在淬火冷却过程中由于内外温差会导致热应力和组织应力的产生，这些对材料的力学性能具有重要的影响。
因此，我们有必要对45钢热处理油淬过程的温度场进行模拟，以便分析工件各个部分在冷却过程中的温度变化情况，从而优化工艺，使工件最终获得优良的使用性能。
本文研究课题通过实验和软件模拟，对45钢热处理油淬以及对热处理前后45钢的力学性能测试并进行前后对比，同时与水淬进行比较，由于工件在淬火过程中因内外温差会导致热应力和组织应力的产生，利用有限元ANSYS软件对45钢热处理油淬过程的温度场进行模拟，分析工件的各个部分在热处理油淬过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。
245钢热处理工艺过程研究
2.145钢简介
钢铁是以铁和碳为主要组成元素的合金材料。
钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属，其品种繁多、性能各异。
根据钢材的用途可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类[1]。
结构钢是用于制造各种工程结构和各种机器零件的钢种，如船舶、桥梁、车辆、压力容器以及轴、齿轮、各种联接件等，其中用于制造工程结构的钢又称为工程用钢或构件用钢；机器零件用钢则包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。
其中，调质钢即经调质处理后使用的结构钢，这种钢有良好的综合力学性能，不但有很高的强度，而且有良好的塑性和韧性[2]。
45钢是中碳优质结构钢，Wc=0.45%，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。
常应用于小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等。
它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用[1]。
对于性能要求高的零件，必须进行调质处理。
本实验45钢以退火状态交货。
其化学成分为：
含碳0.42～0.50%，硅0.17～0.37%，锰0.50～0.80%，硫小于等于0.035%，磷小于等于0.035%，铬小于等于0.25%，镍小于等于0.25%。
2.2热处理工艺方案确定
2.2.1热处理工艺的概念
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的[8]。
钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。
钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律，以获得所需性能。
根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理，包括退火、正火、淬火和回火；表面热处理，包括表面淬火和化学热处理；及形变热处理等。
按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理[9]。
对于碳钢的热处理，不同的热处理方法使碳钢获得不同的组织和性能；同一种热处理方法，当采用不同的热处理工艺参数时，碳钢所获得的组织和性能也不同。
调质是淬火加高温回火的双重热处理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。
调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类，不管是碳钢还是合金钢，其含碳量控制比较严格。
如果含碳量过高，调质后工件的强度虽高，但韧性不够，如含碳量过低，韧性提高而强度不足。
为使调质件得到好的综合性能，一般含碳量控制在0.30～0.50%。
调质淬火时，要求工件整个截面淬透，使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织，根据如图2.1碳钢正常淬火温度范围来选择。
之后通过高温回火，得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。
此次试验为了使45钢具有良好的综合力学性能，对45钢进行了调质处理，其中包括油淬火与高温回火热处理。
图2.1碳钢正常淬火温度范围
2.2.2淬火加热温度及保温时间的确定
亚共析钢淬火时，要加热到Ac3以上30～50℃，经适当保温后，得到均匀细小的奥氏体。
如果加热温度过高，会得到粗大的奥氏体晶粒，淬火后得到的马氏体晶粒也粗大。
粗大的马氏体组织使钢的韧性下降，具有这种组织的零件或工模具在工作过程中容易发生脆断现象。
若加热温度选在Ac1～Ac3之间，则碳钢的高温组织为奥氏体加铁素体，淬火冷却后的组织为马氏体加铁素体。
由于铁素体的存在，显著减小了钢的强化效果。
淬火的过热组织和欠热组织都是因淬火温度选择不当形成的。
45钢的临界点Ac1=724℃，AC3=780℃，所以淬火加热温度为810～830℃，结合实际以及45钢常用热处理方法，确定45钢的淬火加热温度为840℃。
为了使淬火加热组织即奥氏体充分转变，并使其具有均匀的碳浓度，碳钢加热到淬火温度后，还应有一定的保温时间。
在实验室中，通常是将加热炉升温到淬火温度，然后向炉内装入试样进行加热。
当试样升温至与炉温即淬火温度相同时，即进入保温阶段。
保温时间与试样的有效尺寸有关，包括直径和厚度。
在箱式电阻炉中加热试样的加热保温“总时间”即试样自装炉到出炉的总时间。
如果装炉试样较多，可能出现试样的相互接触甚至堆集情况时，应适当延长加热保温总时间。
根据《热处理工艺规范与数据手册》[10]中表3-9，箱式炉或井式炉中碳钢保温时间通常为1.1～1.5min/mm,本实验选取加热保温时间为1.5min/mm，所以根据所给材料试样，确定直径为20mm的小圆柱体试样加热保温时间为30min，由于冲击试样为国家标注试样，根据其尺寸确定加热保温时间为15min，同样，拉伸试样也是标准试样，根据其拉伸处尺寸确定其加热保温时间为15min.
由设计要求，对于保温后的45钢进行油冷。
对于此部分冷却过程分析见ANASYS油淬过程模拟分析。
实际淬火过程中，冷却速度是碳钢淬火过程中极重要的工艺规范。
冷却速度不同，奥氏体的转变产物也不同。
水冷时的冷却速度大于临界冷却速度Vk，冷却后得到马氏体组织，硬度最高；在油中冷却时，得到马氏体加屈氏体混合组织，其淬火硬度比水冷试样的淬火硬度低一些；而冷却是在空气或炉中进行时，奥氏体则完全分解为索氏体或珠光体，硬度进一步降低。
钢的冷却速度可以通过选择不同的冷却介质来控制。
碳钢的奥氏体稳定性差，临界冷却速度大，通常要在冷却能力强的冷却介质中冷却才能得到马氏体组织[1]。
2.2.3回火加热温度及保温时间的确定
碳钢制件淬火后都必须进行回火处理，以减少或消除内应力，提高韧性，获得比较稳定的组织和性能。
回火是将已淬火的碳钢加热到A1以上某一温度，适当保温一段时间，然后空冷或炉冷至室温。
在回火的保温和冷却过程中，淬火马氏体和残余奥氏体都要发生分解和分解产物的聚集长大。
随着回火温度的升高，淬火碳钢的组织将依次得到回火马氏体，回火屈氏体和回火索氏体，淬火碳钢的硬度将依次降低，韧性将逐渐回升，内应力也逐渐趋于消除。
低温回火的温度一般为150～250℃，淬火组织为马氏体的碳钢,常有少量残余奥氏体，在低温回火后获得回火马氏体，它仍保留着原来马氏体的针片或板条状形态，性能基本上与淬火马氏体相同，但脆性较低。
中温回火的温度一般为350～500℃回火后的组织为极细颗粒的渗碳体加针状铁素体，即回火屈氏体，此时，钢的硬度有明显降低，而刚的弹性的韧性较高。
高温回火的温度一般500～650℃，回火后的组织为细粒状渗碳体加铁素体，即回火索氏体，淬火加高温回火又称调质，调质后钢的硬度降低较多，而韧性大幅度提高。
此次试验为了使45钢具有良好的综合力学性能，故选取高温回火,回火温度为600℃。
回火的加热保温时间主要根据试样的有效尺寸来确定。
由金属学与热处理资料，回火一般为1～2h，选取回火时间为1h。
碳钢的回火冷却无特殊要求，一般可在空气中冷却。
选取空冷。
2.3本章小结
通过对热处理工艺的研究，最终确定了热处理工艺方案，对试样采用调质处理，其包括两个工艺过程：
第一，淬火过程，图2.2为淬火工艺曲线示意图
1.加热：
对45钢各种试样进行加热，其包括小圆柱体试样、冲击试样、拉伸试样，加热温度为840℃；
2.保温：
对直径为20mm的小圆柱体试样加热保温时间为30min，对冲击试样加热保温时间为15min，同样，对拉伸试样加热保温时间为15min；其中保温时间是指试样放入加热炉中后，加热炉中温度再次达到加热温度840℃时开始计时；
3.冷却：
当试样完成加热后，迅速从加热炉中取出试样进行冷却，对所有试样均采用油冷；
入炉保温出炉油冷
图2.245钢淬火工艺曲线示意图
第二，回火过程
1.加热;对45钢各种试样进行加热，其包括小圆柱体试样、冲击试样、拉伸试样，加热温度为600℃；
2.保温：
对所有试样均采用回火保温1h；其中保温时间是指试样放入加热炉中后，加热炉中温度再次达到加热温度600℃时开始计时；
3.冷却：
当试样完成加热后，从加热炉中取出试样进行冷却，对所有试样均采用空冷。
345钢显微组织分析
3.1实验过程概述
显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。
试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫射，无法用显微镜观察其内部组织。
因此，我们要对试样表面进行加工，通常是用磨光和抛光的方法，以得到一个光亮的镜面。
这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态，也就是说，不能在制样过程中使表层发生任何组织变化[8]。
获得具备这种条件的试样表面，才算是完成了制备阶段。
仅具有光滑平面的试样，在显微镜下只能看到白亮的一片，而看不到其组织细节，这是由于大多数金属组织中不同的相，对于光具有相近的反射能力的缘故。
为此，必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表面有选择地溶解掉某些部分如晶界，从而显现微小的凹凸不平。
这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内[8]，这时用显微镜就可以看清楚试样组织的形貌，大小和分布，这就是组织显示阶段。
完成了以上两个阶段后，就可以进入显微分析的第三阶段，既显微组织的观察和分析。
其中试样的制备和组织的显示，包括取样、镶样、磨光、机械抛光、用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀等。
最后对组织进行观察拍照。
图3.1Fe-Fe3C相图
3.2金相组织结果与分析
在全组人员的共同努力下，通过对45钢试样进行磨光，机械抛光，并由表3.1合理选择腐蚀液进行腐蚀，并且对所得到的金相组织进行显微观察后拍照，最后得到了金相组织图。
其中45钢退火状态金相组织如图3.2,45钢调质处理（油淬）后组织状态如图3.3,45钢调质处理（水淬）后组织状态如图3.4。
而铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。
所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下如退火状态即接近平衡状态时所得到的组织。
我们可以根据图3.1来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。
从Fe-Fe3C相图可见，碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。
但是由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量，析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。
本实验未进行热处理实验的组织属于退火状态组织，热处理实验后的组织属于调质处理后的组织。
如表3.1铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征可基本了解热处理前后组织状态。
图3.245钢退火组织状态
图3.345钢调质处理（油淬）后组织状态
。
图3.445钢调质处理（水淬）后组织状态
表3.1各种铁碳合金在室温下的显微组织
类型
含碳量（%）
显微组织
侵蚀剂
工业纯铁
≤0.02
铁素体
4%硝酸酒精溶液
碳钢
亚共析钢
0.02～0.8
铁素体+珠光体
4%硝酸酒精溶液
共析钢
0.8
珠光体
4%硝酸酒精溶液
过共析钢
0.8～2.11
珠光体+二次渗碳体
苦味酸钠溶液，渗碳体变黑或呈棕红色
白口铸铁
亚共晶白口铁
2.11 ～4.3
珠光体+二次渗碳体+莱氏体
4%硝酸酒精溶液
共晶白口铁
4.3
莱氏体
4%硝酸酒精溶液
过共晶白口铁
4.3～6.69
莱氏体+二次渗碳体
4%硝酸酒精溶液
对于用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁。
在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物：
铁素体（F），铁素体是在碳在α—Fe中的固溶体。
铁素体为体心立方晶格，具有磁性及良好的塑性，硬度较低，用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析刚中铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围；渗碳体（Fe-Fe3C），渗碳体是铁和碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%，质硬而脆，耐腐蚀性强，经3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体能被染成黑色或棕红色，而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。
按照成分和形成条件的不同，渗碳体可以呈现不同的形态：
一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的，故在白口铸铁中呈粗大的条片状；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏晶界分布；三次渗碳体是从铁素体中析出的，通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微可忽略不计。
珠光体（P）， 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。
在一般退火处理情况下,是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。
经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特性的珠光体组织[2]。
Fe-Fe3C相图的各种合金,按其含碳量与平衡组织的不同,可分为工业纯铁,碳钢及白口铸铁3类。
其中碳钢又分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。
由于本设计是对于45钢的研究，其属于亚共析钢钢，而亚共析钢的含碳量在0.0218%~0.8%范围内,其组织有铁素体和珠光体所组成。
随着含碳量的增加,铁素体的数量则相应的逐渐减少,而珠光体的数量则相应增多,两者的相对量可由杠杆定律求得。
在本实验中，由金相组织照片可以得到，对于的退火状态45钢，得到由白色晶粒状铁素体和黑色块状、片状的珠光体组织；经过调质处理后的45钢所得到的由颗粒状渗碳体和多
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