45钢热处理过程温度场的数值模拟.docx
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45钢热处理过程温度场的数值模拟
45钢热处理过程温度场的数值模拟
任务书
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45钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉45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，通过毕业设计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45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45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]赖宏，刘天模.45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟[J].重庆大学学报，2003，26（03）:
82-84.
[2]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.
[3]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工艺
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
45钢热处理过程温度场的数值模拟
摘要：
本论文中45钢的热处理工艺是通过复习《金属学与热处理》一书中钢的热处理原理来制定的，并借助ANSYS有限元软件建立轴对称模型，对其施加温度载荷来模拟计算热处理过程中某些时刻温度场的分布以及某些特定位置温度随时间的变化关系。
结果表明：
热处理加热过程开始时，圆柱体侧面的升温速度最快，中心处升温速度最慢，其余位置的速度介于二者之间，工件整体升温速度随着时间的增加逐渐下降；热处理冷却过程开始时，圆柱体侧面的降温速度最快，中心处最慢，其余位置的速度介于二者之间，另外，刚开始工件整体降温速度较快，随着时间的增加，工件整体降温速度逐渐下降。
整个热处理过程中，工件中心和侧面的温度差随时间的增加而减少。
关键词：
有限元法，45钢,热处理,温度场
Theheattreatmentof45steel'stemperaturefieldsimulation
Abstract：
Inthisessay,45steelheattreatmentprocessisthroughthereview,authorofsinosteelmetallographyandheattreatmentofheattreatmentprincipletodevelop,withANSYSfiniteelementsoftwareaxisymmetricmodelwasestablished,andapplytosimulationcalculationatsomepointintheheat-treatingprocess,distributionofthetemperaturefieldandcertainpositionoftemperaturewithtimerelationship.Theresultsshowthattheheatingtemperatureofthesidefaceisthefastestandthecentertemperatureistheslowestandtheotherpositionisbetweenthetwo,thetemperatureoftheworkpieceincreasesgraduallywiththeincreaseoftime.Heattreatmentcoolingprocess,theoutersurfaceofthefastestcooling,thecenteristheslowest,therestofthespeedbetweenthetwo,moreover,theoverallcoolingrateoftheworkpieceisrelativelyfast,andtheoverallcoolingrateoftheworkpiecedecreasesgraduallywiththeincreaseoftime.Throughouttheheattreatment,thetemperaturedifferenceoftheworkpiececenterandthesidefacedecreaseswiththeincreaseoftime.
Keywords:
Finiteelementsimulation，45steel，Heattreatment,Temperaturefieldsimulation
1前言
材料不仅是人类赖以生存和发展的物质基础，而且是社会发展和进步的标志。
根据制造工具生产的材料历史学家将人类生活分为石器时代、青铜时代和铁器时代。
到20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱，80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活休戚相关。
现今材料的品种、数量和质量已经是衡量一个国家科学技术和国民经济水平及国防力量的最重要的因素，其中钢铁材料占据尤为重要的地位。
钢一直从铁器时代沿用至今，其在工业发展中有巨大的重要性。
钢材是合金机构材料中尤其重要，45钢是使用最频繁的钢材之一，由于其综合性能较好，机械、医疗和日常生活等各个领域广泛使用，尤其是在机械制造方面，广泛用于各种重要的结构零件，比如那些在交变负荷下使用的连杆、螺栓、汽车拖拉机半轴和柴油机零件等。
因此，研究钢的热处理对改进钢的性能有着积极重要的作用和意义，钢材热处理方面的探索和前进定会促进社会的进步以及推动21世纪全球高速发展的步伐，必将引领一场空前绝后的工业大潮。
1.1研究目的及意义
热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构来控制其性能的一种金属热加工工艺[1]。
热处理工艺有时只有加热和冷却两个过程，加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，后来应用液体和气体燃料。
电的应用不仅使加热易于控制，且不会对环境造成污染。
利用这些热源可以直接进行加热，也可以通过熔融的盐或金属，借助浮动粒子进行间接加热。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能会产生很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或熔融盐中、保护气氛中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要标志。
加热温度因被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
另外转变需要一段的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。
采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般不需要保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长[2]。
冷却也是热处理工艺过程中必不可少的步骤，因制定的热处理工艺不同冷却方法也会不同，主要是控制冷却速度。
一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度最快，淬火的冷却速度更快。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一，它不仅能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，而且还可以改善工件的工艺性能，提高加工质量，减少刀具磨损。
为了体现45钢最佳的综合性能，必须制定合理的热处理工艺。
常用的热处理工艺主要有正火、淬火、回火等，影响其热处理工艺的因素主要有加热温度、保温时间、冷却速度等。
45钢既是中碳结构钢，又是优质碳素结构用钢，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。
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[2]。
但其硬度不高，易切削加工，模具中常用来做模板、梢子、导柱等，但是机加工前必须预先经过热处理[3]。
但其强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等[4]。
水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火；焊接性差[5]。
45钢在淬火后没有回火前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为≥600Mpa,屈服强度为≥355MPa，伸长率为≥16%，断面收缩率为≥40%，冲击功为≥39J。
45钢的化学成分及不同国家的45钢钢号如表1.1和表1.2所示。
表1.145钢的化学成分
元素
C
Mn
S
P
Si
含量％
0.4~0.5
0.5~0.8
≤0.45
≤0.45
0.17~0.37
表1.2不同国家对45钢钢号的表示
中国
GB
前苏联ГΟСΤ
美国ASTM
英国BS
日本JIS
法国NF
德国DIN
45
45
1045
080M46
S45C
XC45
C45，CK45
1.2国内外研究进展
近年来，钢制零件的表面热处理,大多采用传统的高频或中频感应加热淬火。
之后一般还要进行磨削加工,以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。
多年来，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外，节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。
建国以来，我国的热处理技术也有了很大的发展，现有热处理生产厂点一万余家，热处理加热设备十万多台，年生产能力660多万吨钢件，年产值约50亿元[6]。
目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理设备和实际生产水平方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。
1999年，尤显卿教授综合论述了如何正确制定45钢热处理工艺，防止淬火开裂[7]。
45钢件在淬火处理时，易出现淬裂现象；2003年，夏立红、耿长栓通过研究表明：
45钢件在830℃～850℃×1.1min／mm～l.2min／mm的加热和保温条件下，淬入清水或10％的盐水中易出现裂纹；而采取加大工艺预留量（13mm～14mm）、避开危险尺寸（4mm～12mm）、低温（750℃～760℃）淬火、控制加热温度（780℃～790℃）以及保温时间和回火时间等措施，可有效防止45钢件淬火时出现裂纹现象[1]。
2004年，太钢六轧厂的刘爱国、李杰工程师通过对优质碳素钢45钢球化退火工艺的分析和研究，找出影响45钢球化的主要因素，改进了退火工艺，提高了45钢球化合格率，满足了用户需求[8]。
这年期间邓楚平通过对45钢、40Cr钢调质热处理新工艺研究试验发现，经过新工艺处理后的工具综合性能与传统工艺处理的大体相当，但新工艺具有缩短保温时间，节约能源，降低生产成本，并改善工具表面耐磨性和内部组织性能等优点[9]。
2007年边晋荣工程师就45钢热处理淬火裂纹控制[10]进行了研究实验，对淬火裂纹产生的原因以及处理方案等进行分析和改进，认为在生产过程中要灵活运用，具体问题具体分析。
同年上海交通大学的徐祖耀院士就近年来发展的钢的热处理新工艺-淬火和分配（Q-P）处理为基础，提出淬火-分配-回火（Q-P-T）工艺[11]。
2012年，赵琳工程师通过实验分析45钢短轴得出通过正火、淬火、中温回火等热处理工艺，改变了45钢的内部组织，从而改变其性能，使材料具有了优良的综合机械性能和良好的切削加工性能[2]，不仅改变了表面耐磨性，而且工件中心部分也得到了较高的韧性，满足使用要求。
另外2013年，在工艺性能研究方面，刘孜文在对45钢的热处理研究中通过对组织与性能研究认为热处理方式不同对应组织也不相同，性能也随之变化[12]。
2014年，在淬火工艺过程中，裴广州副工程师研究了45钢的热处理工艺，通过亚淬火降低钢的脆性转变温度，可以相应地抑制钢的可逆回火脆性[13]。
另外与普通45钢淬火相比，亚淬火更能较好的提高钢的力学性能。
为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”。
加强热处理的基础理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。
1.3研究的内容及方法
1、查阅相关文献和复习《金属学与热处理》一书，掌握钢的热处理原理，为45钢制定适当的热处理工艺。
2、学习《ANSYS10.0自学手册》，了解ANSYS软件，熟悉该软件的基本操作，掌握ANSYS软件计算热处理过程温度场的方法。
3、根据所制定的45钢热处理工艺，用ANSYS软件模拟计算钢件热处理过程不同时刻的温度场分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。
4、对所得数据进行整理及分析。
5、分析热处理过程温度场分布对45钢组织和力学性能的影响。
2数值模拟技术的概述
数值模拟（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。
数值模拟技术可以对热处理工艺实现安全评估、预测热处理工艺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及组织场的变化规律。
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。
有限元法作为目前应用最广泛的数值模拟方法，由于其特有的计算优势得到了广泛的应用，并因此产生了很多通用的有限元商业软件。
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，主要包括3个部分：
前处理模块，求解模块和后处理模块。
热分析是ANSYS软件分析功能中的一个模块。
ANSYS进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量[15]。
ANSYS软件的热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及与热有关的藕合场分析闭。
通过查阅书籍和参考文献等资料得知45钢的正火、淬火、回火过程均属于热分析中的瞬态热分析。
ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口如图2.1和图2.2所示。
图2.1ANSYS主操作窗口
图2.2ANSYS隐藏的信息输出窗口
2.1ANSYS软件的基本原理
ANSYS进行热分析计算基本原理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[10]。
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。
这样不但提高了模拟精度也提高了运算速度[11]。
ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中,很好地结合了材料变温过程中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有限元分析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,得到了零件温度随淬火时间的分布关系[7]。
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中的热应力、残余应力做好了准备工作[4]。
ANSYS软件热分析基础符号和国际单位如表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
℃
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-℃
KXX
对流系数
W/m²-℃
HF
密度
Kg/m³
DENS
比热
J/Kg-℃
C
焓
J/m³
ENTH
2.2热处理温度场数值模拟的基本理论
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。
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。
本论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。
本论文采用的轴对称传热温度场控制微分方程为
式中，
为密度
为比热容
为导热系数
为相变潜热
为传热时间
这些参数中
、
都随温度变化而变化。
3有限元模拟过程
3.145钢的热处理工艺
45钢的普通热处理工艺可分为正火、退火、淬火和回火四种。
正火是将钢件加热至临界温度以上30℃-50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。
正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平横状态的组织。
退火是将钢加热至临界点以上或以下温度，保温后随炉缓慢冷却以获得接近于平衡状态的组织。
其主要用途是均匀钢的化学成分及组织，调整硬度，消除内应力和加工硬化，并为淬火做好准备。
淬火是将钢加热至Ac
（亚共析钢）或Ac
（过共析钢）以上30℃-50℃，保温后放入不同的冷却介质中（冷却速度大于临界冷却速度），以获得马氏体组织的热处理工艺。
其目的是使工件获得尽可能多的马氏体，提高硬度和耐磨性。
回火是将淬火钢在一定下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却至室温的工艺过程。
其主要目的是改善钢的塑韧性，减小或消除淬火应力。
现将45钢的热处理工艺制定为正火温度为840℃，先从室温加热到设定温度保温2小时后，再出炉空冷至室温；淬火温度为840℃，先从室温加热到设定温度保温1小时后，再水冷淬火至室温；回火温度为600℃，先从室温加热到设定温度保温2小时，再出炉空冷至室温；45钢的热处理工艺曲线如图3.1所示。
图3.1热处理工艺曲线
3.2有限元建模
3.2.1热物性参数的选择
热物性参数主要是指导热系数
、密度
和定压比热
。
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。
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《实用热物理性质手册》获得。
45钢的比热容热导率与温度关系如表3.1所示，45钢的换热系数与温度关系如图3.2所示。
表3.145钢的比热容热导率与温度关系
T/℃
100
200
300
400
500
600
700
755
800
900
1000
Cp/（J/Kg·℃）
480
498
524
560
615
700
854
1064
806
637
602
λ/（W/W·℃）
43.53
40.44
38.13
36.02
34.16
31.98
28.66
25.14
26.49
25.92
24.02
表3.245钢的换热系数与温度关系
T/℃
50
100
200
300
350
400
500
600
700
800
h/（W/m2·℃）
2000
3800
6000
13500
14000
12500
7000
4200
1500
500
3.2.2网格划分
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，零件内部温度分布差异比较大，除此外热传导系数、换热系数、密度等热物性参数随时间的变化而改变，因而在模拟过程中形成数据震荡。
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．对于加热火或冷却过程，零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．划分网格的方式有很多种，本次模拟以尽可能的获得小正方形的标准划分网格。
具体划分是竖直方向划分60等份，水平方向划分30等份。
3.3ANSYS模拟过程
模拟对象为圆柱体零件，正火是将其由室温25℃加热到840℃，保温一段时间后空冷至室温；淬火是将其由室温25℃加热到840℃，保温一段时间后水淬至室温；回火是将其由室温25℃加热到600℃，保温一段时间后空冷至室温；用ANSYS软件模拟不同时间圆柱体内温度场分布以及在不同的关键点处温度随时间的变化。
3.3.1建模
图3.2轴对称有限元模型
A
B
C
D
设圆柱体底面半径R=30mm，高h=60mm。
由于该45钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，故我们可以取该圆柱的一旋转面，使模拟过程得以简化，建立一个二维模型如图3.2所示。
在建模过程中，以m为单位。
3.3.2定义材料热物性参数
淬火45钢的密度与温度变化关系不是很大，按常数处理，对最后结果影响不大。
而对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的热物性参数，由于这些参数是温度和相变组织成分的函数，正火、淬火、回火过程温度跨度比较大，组织变化程度大,因而将各热物性参数看作恒量显然是不合理的。
因此比热容、热导率必需看成是温度的函数[2]。
由手册[3]查得45号钢的比热容、热导率与温度变化关系如表3.1所示，45钢的换热系数与温度的关系如表3.2所示。
3.4加载求解阶段
正火
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