45鋼熱處理水冷過(guò)程分析

1、45鋼熱處理水冷過(guò)程分析任務(wù)書(shū)1. 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)建立有限元模型，模擬45鋼熱處理水冷過(guò)程溫度場(chǎng)分布；通過(guò)實(shí)驗(yàn)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)。2. 設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容1) 設(shè)計(jì)的基本要求：論文結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語(yǔ)言順暢；避免錯(cuò)別字和錯(cuò)誤標(biāo)點(diǎn)符號(hào)；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。2) 設(shè)計(jì)內(nèi)容：模擬45鋼熱處理水冷過(guò)程中溫度場(chǎng)隨時(shí)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；與合金鋼水淬后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較，分析原因。3.1234主要參考文獻(xiàn)ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用

2、J.冶金能源，2004 ( 05) 鋼件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬J.熱加工工藝技術(shù)與材料研究，2008 ANSYS10.0熱分析教程與實(shí)例解析45鋼零件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003 (03) 材料科學(xué)基礎(chǔ)(鐵碳合金相圖與熱處理部分)進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱(chēng)起止日期1查閱文獻(xiàn)，了解軟件，完成開(kāi)題報(bào)告2014.01.10 至 2014.03.102閱讀文獻(xiàn)，深入學(xué)習(xí)軟件，確定實(shí)驗(yàn)方案2014.03.10 至 2014.03.313進(jìn)行模擬計(jì)算和試驗(yàn)，準(zhǔn)備中期檢查2014.04.01 至 2014.04.204完成模擬計(jì)算和試驗(yàn)及結(jié)果分析2014.04.20 至 2014.0

3、5.155撰寫(xiě)畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯2014.05.15 至 2014.06.054.45 鋼熱處理水冷過(guò)程分析摘要：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(cuò)，機(jī)械性能較好, 且價(jià)格低廉、較容易得到，因此應(yīng)用廣泛于機(jī)械制造。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，其最大不足時(shí)淬透性低，截面 尺寸大和要求比較高的工件不適宜采用。 對(duì)于性能要求較高的零件， 必須進(jìn)行調(diào) 質(zhì)處理。對(duì) 45 鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，得到均勻的回火索氏體，從而使其具有良好 的綜合力學(xué)性能。研究本課題主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和 ANSYS 軟件模擬。其中包括對(duì) 45 鋼的熱處理水淬以及熱處理前后

4、 45 鋼的力學(xué)性能和金相組織的對(duì)比；同時(shí)還與合金鋼 40Cr 熱處理水淬的力學(xué)性能比較；由于工件在淬火過(guò)程中內(nèi)外溫差會(huì)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(duì) 45 鋼熱處理水淬過(guò)程的溫度 場(chǎng)進(jìn)行模擬， 分析工件的各個(gè)部分在熱處理水淬過(guò)程中的溫度變化情況， 為優(yōu)化 熱處理工藝，使工件經(jīng)過(guò)熱處理后獲得比較好的力學(xué)性能提供一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 ： 45鋼，熱處理，力學(xué)性能，溫度場(chǎng)模擬4Heat treatme nt of 45 steel cooli ng p rocess an alysisAbstract: 45 steel is carb on in the high

5、-quality steel, Wc = 0.45%, hot and cold p rocess ing p erforma nee is good, better mecha ni cal prop erties, and low cost, easy to get, so widely used in mach inery manu facturi ng. Ofte n used in the small cross sect ion, the load of con diti oning p arts, such as main shaft, cran kshaft, gear, co

6、nn ect ing rod, sp rocket, etc., its biggest weak ness low harde nability, sect ion size and requires high work piece is not suitable for adop ti on. Higher requireme nts for p erforma nee p arts, con diti oning treatme nt must be carried out. After tempering p rocess on 45 steel, get eve niy temp e

7、red sorbite, making it has better comp rehe nsive mecha ni cal prop erties.Study this subject mai nIy through exp erime nt and ANSYS software simulatio n.In clud ing water que nching heat treatme nt of 45 steel and heat treatme nt before and after the con trast of mecha ni cal prop erties and micros

8、tructure of 45 steel; Also, the mechanical properties of 40 cr alloy steel heat treatment and water quenching;Work pi ece duri ng que nchi ng temp erature differe nee betwee n in side and outside the thermal stress and organization stress can result from the finite element ANSYS software of 45 steel

9、 heat treatment of water quench process, to simulate the temp erature field an alysis of the various components of a work pi ece in the p rocess of water que nching heat treatme nt temp erature, i n order to op timize the heat treatme nt p rocess, the work piece after heat treatme nt to obta in bett

10、er mecha ni cal p erforma nee to pro vide certa in theoretical basis.Keywords: 45 steel, heat treatment, mechanical properties, the temperature fieldsimulati on2資料綜述2.1 鋼的分類(lèi)2.2 45鋼的熱處理工藝2.2.1加熱溫度的選擇2.2.2保溫時(shí)間的選擇2.3 小結(jié)3熱處理實(shí)驗(yàn)3.1前期準(zhǔn)備3.1.1實(shí)驗(yàn)概述3.1.2試件準(zhǔn)備3.245鋼的熱處理3.2.1試驗(yàn)設(shè)備的介紹3.2.2實(shí)驗(yàn)概述3.2.3實(shí)驗(yàn)步驟3.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.3布

11、氏硬度和洛氏硬度實(shí)驗(yàn)3.3.1布氏硬度實(shí)驗(yàn)3.3.2洛氏硬度實(shí)驗(yàn)3.4拉伸試驗(yàn)3.4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備3.4.2實(shí)驗(yàn)步驟3.4.3實(shí)驗(yàn)原理3.4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.5 453.5.13.5.23.5.33.6111313131414鋼熱處理前后金相組織的分析比較實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備金相圖分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果4 ANSYS有限元分析軟件1414161617174.1 ANSYS軟件概述 4.2 基于ANSYS的淬火溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)例分析18194.2.1前處理階段19422溫度分布圖234.2.3獲取關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖264.3 小結(jié)29總結(jié)參考文獻(xiàn)303132V25鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中使用最廣，用量最大

12、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。作為當(dāng)今社會(huì)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 。其中， 使用性能則是材料或者被制作成零部件的材料在服役過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的一系列特性 和性能，如強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性等物理、化學(xué)和力學(xué)性能 2 。為使 45 具有所 需的力學(xué)性能，物理性能和化學(xué)性能，除了合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理 工藝往往是必不可少的。 它不改變 45鋼的外形，通過(guò)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(zhǎng)使用壽命，確保機(jī)器安全

13、可靠運(yùn)行的目的。其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(kāi)裂 3 。熱分析是廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種分析工具。估算和控制工件的溫度場(chǎng)，分析 不同條件下，不同材料及幾何形狀對(duì)溫度場(chǎng)變化的影響，防止工件缺陷的產(chǎn)生。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4 。ANSY軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)多物理場(chǎng)于 一體的大型通用有限元分析軟件， 由世界上著名的有限元軟件公司一一美國(guó) ANSYS 司開(kāi)發(fā) 5 。 ANSYS 軟件

14、主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊； 利用ANSY軟件的熱分析模塊對(duì)鋼件淬火過(guò)程進(jìn)行建模、分網(wǎng)、加載及求解，得到鋼 件淬火不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)， 模擬過(guò)程對(duì)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(duì)淬火過(guò)程中的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力計(jì)算提供溫度邊界條件 6 。同時(shí) ANSYS 有限元軟件在溫度場(chǎng)的模擬過(guò)程中， 很好的結(jié)合了材料變溫過(guò)程材料熱物性參數(shù)的變 化，特別適用于鋼件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算，通過(guò)利用 ANSYS 有限元軟件對(duì)幾 何外形復(fù)雜的 45 鋼零件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬，得到零件溫度隨淬火時(shí)間 的分布關(guān)系。模擬結(jié)果與實(shí)際過(guò)程一致，且運(yùn)算速度較快，適用于淬火液的選

15、取及淬7 。為優(yōu)火工藝的優(yōu)化，并為精確計(jì)算淬火過(guò)程的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力做好準(zhǔn)備工作化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)。2資料綜述2.1鋼的分類(lèi)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7。鋼鐵材料是工業(yè)應(yīng)用最廣、用量最多的金屬，其品種繁多、 性能各異。按鋼材的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類(lèi)。結(jié)構(gòu)鋼用作各種機(jī)器 零件的鋼，如：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼及滾動(dòng)軸承鋼；也可用作工程結(jié)構(gòu)的鋼，如 碳素鋼中的甲、乙、特類(lèi)鋼及普通低合金鋼。工具鋼用來(lái)制造各種工具的鋼，根據(jù)用 途不同可以分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。特殊性能鋼是具有特殊物理化學(xué)性能的

16、鋼, 可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。按鋼材的化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類(lèi)。碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量W0.25%）、中碳鋼（0.25%含碳量 0.6%）、高碳鋼（含碳量0.6%）。合金鋼：按合金元素含量又可分為低合金鋼（合金元素總含量W 5%、中合金鋼 合金元素總含量=5%-10%、高合金鋼（合金元素總含量10%。45鋼表示45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，其相關(guān)信息見(jiàn)表 2.1。表2.1 45鋼相關(guān)信息鋼號(hào)化學(xué)成分熱處理力學(xué)性能應(yīng)用舉例45C% 0.42-0.50IW 0.5-0.8Si % 0.17-0.37Cr% w 0.25正火850 C 淬火：840 C水 回火：600

17、C抗拉強(qiáng)度600Mpa屈服強(qiáng)度355Mpa伸長(zhǎng)率16%斷面收縮率40%沖擊韌性39J小截面、中 載荷的調(diào) 質(zhì)件，如主 軸、曲軸、 齒輪、連 桿、鏈輪等牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾，比如鋼中平均含碳量為0.45%, 08鋼表示平均含碳量為0.08%。含猛量較高的鋼，須將猛 元素標(biāo)出，如平均含碳量為 0.50%,含猛量為0.70%-1.00%的鋼，其牌號(hào)為“ 50Mn。根據(jù)45鋼的含碳量0.45%可知，45鋼屬于中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，它的室溫組織是 鐵素體和珠光體的組合。其硬度不高易切削加工，45鋼淬火前的硬度低于28HRC,淬 火后的硬度可以高于55HRC 0調(diào)質(zhì)處理后零

18、件具有良好的綜合力學(xué)性能，即硬度尚可， 塑性較高。2.2 45鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝就是通過(guò)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。GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼推薦熱處理制度為：正 火850C，淬火840C，回火600C，達(dá)到的性能為屈服強(qiáng)度 355Mpa本文對(duì)45鋼采取840C淬火，600C高溫回火，淬火是為了得到馬氏體組織，再 經(jīng)過(guò)回火后，可使工件獲得良好的使用性能。所謂淬火就是將鋼加熱到 朋（亞共析鋼） 或兀1（過(guò)共析鋼）以上30-50 C ,保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中（V冷應(yīng)大于V臨）， 以獲得馬氏體組織。45鋼經(jīng)過(guò)淬火后的組

19、織由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組 成，為了正確地進(jìn)行45鋼的淬火，必須考慮以下三個(gè)因素：淬火加熱的溫度，冷卻 速度和保溫時(shí)間。回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫適當(dāng)時(shí)間后，置于空 氣或者水中冷卻的工藝，目的是為了減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止開(kāi)裂或變形；獲得 所需要的力學(xué)性能，調(diào)整淬火后的硬度和韌性；穩(wěn)定尺寸，防止使用時(shí)變形。本論文主要研究45鋼淬火后水冷以及高溫回火后的性能研究。221加熱溫度的選擇對(duì)45鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，其加熱過(guò)程主要是為了得到均勻、細(xì)小的奧氏體晶粒，而溫度對(duì)奧氏體晶粒的形成速度和晶粒大小影響最大的因素；而且工件在加熱過(guò)程中由于內(nèi)外溫差會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生。鋼

20、在淬火加熱過(guò)程中，如果操作不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒或表面氧化、脫碳等缺 陷。過(guò)熱是指工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成奧氏體晶粒粗大的 現(xiàn)象。過(guò)熱不僅使淬火后得到的馬氏體組織粗大，使工件的強(qiáng)度和韌性降低，易于產(chǎn) 生脆斷，而且容易引起淬火裂紋。淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細(xì)小的馬氏體。根據(jù)45鋼含碳量0.45%，按含碳量是亞共析鋼。亞共析鋼通常加熱至 Ac3以上30 50C。若在Aci Ac3之間，淬火組織中除馬氏體外，還保留一部分鐵素 體，使鋼的硬度和強(qiáng)度降低，淬火溫度亦不能超過(guò)A33點(diǎn)過(guò)高，以防奧氏體晶粒粗化，840 C。淬火后獲得粗大的馬氏

21、體。根據(jù)鐵碳合金相圖可確定實(shí)驗(yàn)溫度是222保溫時(shí)間的選擇為了使工件各部分完成組織轉(zhuǎn)變，需要在淬火加熱時(shí)保溫一定的時(shí)間，通常將工 件升溫和保溫所需的時(shí)間計(jì)算在一起，統(tǒng)稱(chēng)為加熱時(shí)間。影響淬火加熱時(shí)間的因素較多，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸，保溫 時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變后會(huì)影響奧氏體晶粒大小，一般來(lái)說(shuō)，奧氏體晶粒越細(xì)小，鋼 熱處理后的強(qiáng)度越高，塑性越好，沖擊韌性越高。但是奧氏體化溫度過(guò)高，將使鋼的 奧氏體晶粒長(zhǎng)大，顯著降低鋼的沖擊韌度、減少裂紋擴(kuò)展功和提高脆性轉(zhuǎn)折溫度。此 外，晶粒粗大的鋼件，淬火變形和開(kāi)裂傾向增大，尤其是當(dāng)晶粒大小不均時(shí)，還顯著 降低鋼的結(jié)構(gòu)剛度，弓I起應(yīng)力集中，易于產(chǎn)生脆性

22、斷裂。由于奧氏體晶粒長(zhǎng)大與原子擴(kuò)散有密切關(guān)系，所以加熱溫度越高，根據(jù)淬火保溫 時(shí)間T =KD計(jì)算得保溫時(shí)間為15min,由ANSYSt限元模擬軟件為依據(jù)，選擇15min, 高溫回火60min.鐵碳合金相圖如圖2.1所示。其熱處理工藝曲線如下圖2.223所示。遍度廣C圖2.2淬火工藝曲線溫度匕C時(shí)間/min圖2.3高溫回火工藝曲線對(duì)圖2.1中PSK（A線）、GS（A3線）、ES（Acm線）是鋼在緩慢加熱和冷卻過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。共析鋼加熱至 Fe-Fe3C相圖PSK（A線）以上全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；亞、 過(guò)共析鋼則必須加熱到GS（A線）以上才能獲得單相奧氏體。鋼從奧氏體狀態(tài)緩慢冷卻 至A1線以下

23、，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。而在通過(guò)A3或Acm時(shí)，則分別從奧氏體中析出過(guò)剩鐵素體和滲碳體。根據(jù)組織特征，將鐵碳合金相圖按含碳量劃分為七種類(lèi)型：工業(yè)純鐵 WcvO.0218% 共析鋼 Wc=0.77% 亞 共析鋼 Wc=0.0218%- 0.77%;過(guò) 共析鋼 Wc=0.77%r2.11%;共晶白口鐵 Wc=4.3%亞共晶白口鐵 Wc=2.11%-4.3%;過(guò)共晶白 口鐵 Wc=4.3%- 6.69%。2.3小結(jié)本章介紹了鋼的分類(lèi)以及45鋼的基本性能和化學(xué)成分，并為本次課題所要研究的 不同加熱溫度和保溫時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定， 以及為其參數(shù)的確定提供了一定的 理論依據(jù)。確定了熱處理工藝方案

24、，對(duì)試樣采用調(diào)質(zhì)處理，其中包括兩個(gè)工藝過(guò)程。淬火過(guò)程，首先是對(duì)45鋼各種試樣的加熱，其中包括小圓柱體、拉伸試樣、布氏 硬度和洛氏硬度試樣、沖擊試樣，加熱溫度為 840r ;其次是保溫，對(duì)直徑為20mm的 小圓柱體試樣加熱保溫時(shí)間為30min,對(duì)沖擊試樣加熱保溫時(shí)間為15分鐘，同樣，對(duì)拉 伸試樣加熱保溫時(shí)間為15mi n，其中保溫時(shí)間是試樣放入加熱爐中后，加熱爐中溫度 再次達(dá)到840C時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；最后是冷卻，加熱完成后，迅速?gòu)募訜釥t中取出試樣， 放入水中冷卻至常溫。高溫回火過(guò)程，首先是將所有加熱的各種試樣放入預(yù)先達(dá)到600r的爐中加熱。其次是保溫，等到加熱爐溫度再一次達(dá)到600r時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫

25、60min后取出所有試 樣。最后，將取出的試樣在空氣中冷卻至常溫。3熱處理實(shí)驗(yàn)3.1 前期準(zhǔn)備3.1.1實(shí)驗(yàn)概述(1)通過(guò)布氏，洛氏硬度，沖擊，拉伸等一系列實(shí)驗(yàn)研究45鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化。(2) 觀察和比較45鋼熱處理前后的金相組織變化。3.1.2試件準(zhǔn)備(1)將進(jìn)行布氏，洛氏，拉伸，沖擊的試件進(jìn)行熱處理，加熱至840 r后保溫15分鐘，然后取出水冷，最后進(jìn)行高溫回火，最后在空氣中冷卻。(2)分別取熱處理前后的試件進(jìn)行研磨剖光，腐蝕，觀察金相組織的變化。3.2 45鋼的熱處理3.2.1試驗(yàn)設(shè)備的介紹箱式加熱爐見(jiàn)圖3.1 0054.接線盒；5.試樣;1.加熱室；2.加熱絲孔；3.測(cè)

26、溫孔；6.控制開(kāi)關(guān)；7.擋鐵；8.爐門(mén)；9.隔熱層；10.爐底板 圖3.1箱式電阻爐結(jié)構(gòu)示意圖0-劇箱式電阻爐有稱(chēng)馬弗爐，它是一種周期作業(yè)式加熱爐，可供實(shí)驗(yàn)室做退火、正火、 淬火、回火等熱處理加熱用。上圖是箱式電阻爐的構(gòu)造示意圖。用高強(qiáng)度耐火材料制 成的加熱室1其壁中排列著許多縱向電熱絲孔 2電熱絲多用鐵鉻鋁合金絲制成螺旋形。當(dāng)電源通過(guò)接線盒4使電熱絲中通有電流時(shí)，便產(chǎn)生電熱效應(yīng)，所發(fā)出的熱量即 可加熱爐內(nèi)的試樣5。為了避免取放試樣時(shí)碰壞或磨損加熱室底部耐火材料，在加熱 室底部放置一塊高強(qiáng)度耐火材料制成的爐底板 10。熱室的開(kāi)口處用爐門(mén)8封閉。爐門(mén) 上有一個(gè)小孔，供觀察爐內(nèi)溫度和試樣加熱情況用

27、。爐門(mén)下部有一擋鐵7,爐門(mén)關(guān)閉3,供插入測(cè)量電偶用。整個(gè)爐體用鋼板包裹,時(shí)，擋鐵掀動(dòng)控制開(kāi)關(guān)6,使加熱室內(nèi)的電熱絲中有電流通過(guò)，當(dāng)爐門(mén)打開(kāi)時(shí)，控制 開(kāi)關(guān)切斷了電源控制電路，此時(shí)即使閉合電源開(kāi)關(guān)，電爐中的電熱絲也不會(huì)有電流通 過(guò)，從而保證了操作時(shí)的安全。隔熱層 9是用隔熱材料填充的，其作用是減少爐內(nèi)熱 量的散失。在加熱室后壁開(kāi)有一圓孔 并由支架支撐著。其爐溫大都是利用熱電偶高溫計(jì)和溫度指示調(diào)節(jié)箱式電阻爐用于熱處理加熱時(shí), 儀進(jìn)行測(cè)量和控制的。3.2.2 實(shí)驗(yàn)概述淬火、回火四種方法。不同的熱處理方法使碳碳鋼的熱處理一般有退火、正火、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

28、數(shù)時(shí)，碳 鋼所獲得的組織和性能也不同。碳鋼的淬火。 淬火是將鋼加熱到臨界點(diǎn) Ac1，或Ac3以上某一溫度，經(jīng)過(guò)上當(dāng)保 溫后，快速冷卻，以得到馬氏體組織，從而顯著提高碳鋼的強(qiáng)度和硬度。加熱溫度， 保溫時(shí)間和冷卻速度是影響淬火質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。亞共析鋼淬火時(shí)，要加熱到Ac3以上30-50 C,經(jīng)適當(dāng)保溫后，得到均勻細(xì)小的奧 氏體。當(dāng)在水中快冷時(shí)，就回得到均勻細(xì)小的條狀、片狀馬氏體，及少量殘余奧氏體。 如果加熱溫度過(guò)高，會(huì)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(guò)程中容易發(fā) 生脆斷現(xiàn)象。若加熱溫度選在 AC1-AC3之

29、間，則碳鋼的高溫組織為奧氏體加鐵素體， 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(guò)熱組織和欠熱組織都是因淬火溫度選擇不當(dāng)形成的。過(guò)共析鋼的淬火溫度為 AC1+ (30-50 C)此時(shí)得到細(xì)小的奧氏體加未溶的顆粒狀 二次滲碳體。淬火后的組織為馬氏體加滲碳體，也有少量殘余奧氏體。如果淬火溫度 選在Acm以上，則鋼中二次滲碳體全部溶入奧氏體。淬火冷卻后，除得到粗大的片壯 馬氏體外，還會(huì)得到較多的殘余奧氏體。作為強(qiáng)化相的未溶滲碳體沒(méi)有了而硬度低的 殘余奧氏體增多了。所以過(guò)共析鋼過(guò)熱淬火組織的硬度、耐磨性和韌性都不如正常淬 火的組織，對(duì)于共析鋼，其正常淬火溫度當(dāng)

30、然是Aci+ (30-50 r)o3.2.3實(shí)驗(yàn)步驟將要進(jìn)行拉伸，布氏硬度，洛氏硬度以及沖擊韌性試驗(yàn)的試件放入預(yù)選設(shè)定好溫 度的電阻爐中，當(dāng)溫度達(dá)到840r時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，加熱15分鐘后取出，然后立即放入水 中冷卻。將冷卻至常溫的試件放入回火爐中進(jìn)行回火，回火溫度為600C，加熱一個(gè)小時(shí)后，取出空冷至常溫。324實(shí)驗(yàn)結(jié)果完成對(duì)45鋼各個(gè)試樣的熱處理實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。3.3布氏硬度和洛氏硬度實(shí)驗(yàn)3.3.1布氏硬度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：HBE-3000電子布氏硬度計(jì)圖3.2，讀數(shù)顯微鏡。實(shí)驗(yàn)步驟。 根據(jù)材料和布氏硬度范圍由表 2-1選擇F/D?值，確定壓頭直徑，載荷及載荷的保持時(shí)間。 將壓頭裝在主軸襯

31、套內(nèi)，先暫時(shí)將壓頭固定螺釘旋壓在壓頭桿扁平處。XE尿HBe-am 電于痛氏««苛 iVM -I詢卜.圖3.2 HBE-3000布氏硬度計(jì) 將試樣和工作臺(tái)的臺(tái)面揩擦干凈，將試樣穩(wěn)固地放在工作臺(tái)上，然后按順時(shí) 針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)升降手輪使工作臺(tái)緩慢上升，并使壓頭與試樣接觸，直到手輪與升 降螺母產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)為止，接著再將壓頭固定螺釘旋緊。 準(zhǔn)備就緒后施加載荷將鋼球壓入試樣，施加載荷時(shí)間為2-8秒。鋼鐵材料試驗(yàn)載荷的保持時(shí)間為10-15秒；非鐵金屬為30秒；布氏硬度小于35時(shí)為60秒。 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，降下工作臺(tái)，取下試樣。 用讀數(shù)顯微鏡在兩個(gè)垂直方向測(cè)出壓痕直徑、布氏硬度計(jì)d1和

32、d2的數(shù)值，取平均值。 根據(jù)壓痕平均直徑，由“布氏硬度換算表”查得布氏硬度值。(3) 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。 試樣的試驗(yàn)面應(yīng)制成光滑平面，不應(yīng)有氧化皮及污物。試驗(yàn)面應(yīng)能保證壓痕直徑能精確測(cè)量，試樣表面粗糙度Ra值一般不應(yīng)大于0.8卩m 在試樣制備過(guò)程中，應(yīng)盡量避免由于受熱及冷加工對(duì)試樣表面硬度的影響。 布氏硬度試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的 10倍。試驗(yàn)溫度一般在10-35 C范圍內(nèi)。(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。規(guī)范操作后所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.1 0表3.1布氏硬度所得數(shù)據(jù)熱處理前熱處理后壓痕直徑（mmHBS壓痕直徑（mm）HBS4.651663.742634.761583.762604.821543.70269（5）

33、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算熱處理前的布氏硬度（HBS）為159.3 ;熱處理后的布氏硬度（HBS）為 264.可知經(jīng)過(guò)熱處理水淬的45鋼硬度明顯增強(qiáng)。3.3.2洛氏硬度實(shí)驗(yàn)(1)(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)圖3.3，45鋼試件。實(shí)驗(yàn)步驟據(jù)試樣材料及預(yù)計(jì)硬度范圍，選擇壓頭類(lèi)型和初、主載荷。根據(jù)試樣形狀和大小，選擇適宜工作臺(tái)，將試樣平穩(wěn)地放在工作臺(tái)上。 順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)升降手輪，將試樣與壓頭緩慢接觸。加主載荷應(yīng)在4- 8秒內(nèi)完成。待指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，再將主載荷卸除。 逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)手輪，降下工作臺(tái)，取下試樣，或移動(dòng)試樣選擇新的部位幣噩譌1&?訃需蠱芒圖3.3HRS-150型數(shù)

34、顯洛氏硬度計(jì)(3) 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 試樣兩相鄰壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣距離一般不小于3mm在特殊情況下，這個(gè)距離可以減小，但不應(yīng)小于直徑的3倍。 為了獲得較準(zhǔn)確的硬度值，在每個(gè)試樣上的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不小于三點(diǎn)(第一點(diǎn)不 記)，取三點(diǎn)的算術(shù)平均值作為硬度值。對(duì)于大批試樣的檢驗(yàn)，點(diǎn)數(shù)可以適當(dāng)減少。 被測(cè)試樣的厚度應(yīng)大于壓痕殘余深度的十倍，試樣表面應(yīng)光潔平整，不得有氧 化皮，裂縫及其它污物沾染。常用的三種洛氏硬度實(shí)驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表 3.2 0表3.2常用三種洛氏硬度實(shí)驗(yàn)規(guī)范表符號(hào)壓頭類(lèi)型載荷kgf硬度值有效范圍使用范圍HRA120 °金剛石圓錐6070 85適用于測(cè)量硬質(zhì)合金，表體面淬火層

35、或滲碳層HRB直徑為1.588mm10025100適用于測(cè)量有色金屬，退鋼球（相當(dāng) HB60-230 ）火、正火鋼等HRC120。金剛石圓錐1502067適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等體（相當(dāng) HB230-700 ）(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及與40Cr水淬的比較。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.3 0表3.3熱處理前后洛氏硬度的對(duì)比1234平均值熱處理前7.510.68.910.39.325熱處理后26.626.727.427.026.92545鋼水淬與合金鋼40Cr水淬的洛氏硬度對(duì)比見(jiàn)表3.4,3.5 。表3.4熱處理前的洛氏硬度對(duì)比1234平均值45鋼熱處理前7.510.68.910.39.32540Cr熱處理前2

36、1.021.622.019.320.975表3.5熱處理后的洛氏硬度對(duì)比1234平均值45鋼熱處理后26.626.727.427.026.92540Cr熱處理后39.333.032.830.733.95（5）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 通過(guò)對(duì)比45鋼熱處理前后的洛氏硬度，可知 45鋼經(jīng)過(guò)熱處理水淬；后硬度顯 著提高。 通過(guò)對(duì)比45鋼與40Cr熱處理前后的洛氏硬度，發(fā)現(xiàn)45鋼熱處理前后的硬度均 小于40Cr的硬度。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)45鋼熱處理前后提升的硬度遠(yuǎn)大于 40Cr熱處理前后提升的 硬度。3.3拉伸試驗(yàn)3.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括拉伸機(jī)和游標(biāo)卡尺。3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟（1）劃線測(cè)量。（2）將樣品安裝

37、在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，按照試驗(yàn)機(jī)的操作流程，對(duì)樣品進(jìn)行拉伸，在電腦上記錄拉伸曲線。（3）設(shè)置電腦屏幕上的各種拉伸參數(shù)，將初始數(shù)據(jù)設(shè)置為 0,點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，開(kāi)始拉 伸試驗(yàn)。當(dāng)拉伸量趨于平穩(wěn)，將試件取下避免設(shè)備損壞。（4）繼續(xù)拉伸試樣，直到試件斷裂。將試樣從試驗(yàn)機(jī)取下，觀察端口形貌。測(cè)定斷后試樣頸縮直徑，斷后標(biāo)距長(zhǎng)度，試樣旋轉(zhuǎn) 90度再測(cè)量一遍。（5）根據(jù)拉伸過(guò)程中測(cè)得的應(yīng)力、位移、塑性變形的數(shù)據(jù)，按國(guó)際的數(shù)據(jù)處理方式， 計(jì)算拉伸試驗(yàn)測(cè)得的四項(xiàng)拉伸強(qiáng)度和拉伸塑性的測(cè)試結(jié)果。3.3.3實(shí)驗(yàn)原理隨著拉伸實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，試件在連續(xù)變載荷的作用下經(jīng)歷了彈性變形階段，屈服階 段，強(qiáng)化階段以及局部變形階段這四個(gè)階段

38、；通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的彈 性極限，伸長(zhǎng)率，彈性模量，比例極限，面積縮減量，拉伸強(qiáng)度，屈服點(diǎn)屈服強(qiáng)度和 其他的拉伸性能指標(biāo)。3.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.6。表3.6拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)熱處理方伸長(zhǎng)最小延伸斷面屈服斷裂屈服斷裂抗拉式量直徑率收縮載荷載荷強(qiáng)度強(qiáng)度強(qiáng)度/mm/mm率/N/N/Mpa/Mpa/Mpa840 C水淬 600 C216.300.210.37055000620007001989789回火注：伸長(zhǎng)率 A=(Lu-Lo)/Lo X 100% 截面收縮率 Z=(So-S)/So X 100%3.5 45鋼熱處理前后金相組織的分析比較3.5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

39、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備包括轉(zhuǎn)盤(pán)式金相預(yù)磨機(jī)，金相顯微鏡，金相圖譜。 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。磨光，磨光通常是在砂紙上進(jìn)行的。砂紙上的每顆磨?？梢钥闯墒且粋€(gè)具有一 定迎角（磨粒的前導(dǎo)面與試樣平面之間的角）的單點(diǎn)刨刀，迎角大于臨界值的磨粒才能 切除金屬，小于臨界值的只能壓出磨痕（鋼鐵材料的臨界迎角為900）。前一種磨粒只 占一小部分（約20%），如圖2 1中的陰影部分所示。后一種磨粒使金屬表層產(chǎn)生的流變要大得多，試樣表層的組織變化（又稱(chēng)變形層）主要是由這種磨粒造成的。普通的金 相砂紙所用的磨料有碳化硅和天然剛玉兩種。碳化硅砂紙最適用金相試樣的磨光，其 優(yōu)點(diǎn)是：磨光速率（單位時(shí)間除去的金屬重量）較高，變形層較淺，可以用水作

40、潤(rùn)滑劑 進(jìn)行手工濕磨和機(jī)械濕磨。碳化硅砂紙的粒度大到一定尺寸（280號(hào)一 150號(hào)）后，磨光速率相差不多，但變形層深度卻隨著磨粒尺寸的增大而增加。因此，開(kāi)始磨光時(shí)所用 的砂紙，不一定越粗越好。通常使用粒度為 200, 400, 600及800（或300，500，700, 900）的四種砂紙，進(jìn)行磨光后即可進(jìn)行拋光。對(duì)于較軟的金屬，應(yīng)用更細(xì)的砂紙磨光 后再拋光。 拋光，拋光的目的就是要盡快把磨光工序留下的變形層除去，并使光產(chǎn)生的變 形層不影響顯微組織的觀察。拋光與磨光的機(jī)制基本相同，即嵌在拋光織物纖維上的 每顆磨?？梢猿墒且话雅俚?，根據(jù)它的取向，有的可以切除金屬，有的則只能使表面 產(chǎn)生劃痕。由于

41、磨粒只能以彈性力與試樣作用，它所產(chǎn)生的切屑、戈U痕及變形層都要 比磨光時(shí)細(xì)小和淺得多。拋光操作的關(guān)鍵是要設(shè)法得到最大的拋光速率，以便盡快除去磨光時(shí)產(chǎn)生的損傷層，同時(shí)要使拋光產(chǎn)生的變形層不致影響最終觀察到的組織，即不會(huì)產(chǎn)生假象。這兩 個(gè)要求是有矛盾的，前者要求使用較粗的磨料，但會(huì)使拋光變形層較深；后者要求使 用最細(xì)的磨料，但拋光速率較低。解決這個(gè)矛盾的最好辦法就是把拋光分為兩個(gè)階段 來(lái)進(jìn)行。首先是粗拋，目的是除去磨光的變形層，這一階段應(yīng)具有最大的拋光速率， 粗拋本身形成的變形層是次要的考慮，不過(guò)也應(yīng)盡可能小。其次是精拋（又稱(chēng)終拋），其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小。 腐蝕，試樣拋

42、光后（化學(xué)拋光除外），在顯微鏡下，只能看到光亮的磨面及夾雜 物等。要對(duì)試樣的組織進(jìn)行顯微分析，還須讓試樣經(jīng)過(guò)腐蝕。常用的腐蝕方法有化學(xué) 腐蝕法和電解腐蝕法。從而顯示出試樣化學(xué)腐蝕是將拋光好的樣品磨面在化學(xué)腐蝕劑中腐蝕一定時(shí)間，的組織。純金屬及單相合金的腐蝕是一個(gè)化學(xué)溶解的過(guò)程。由于晶界上原子排列不規(guī) 則，具有較高的自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來(lái)，在顯微鏡下 可以看到多邊形的晶粒。若腐蝕較深，則由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率 不同，腐蝕后的顯微平面與原磨面的角度不同，在垂直光線照射下，反射入物鏡的光 線不同，可看到明暗不同的晶粒。3.5.2 金相圖分析經(jīng)過(guò)打磨試樣、研磨

43、拋光及用4%硝酸酒精溶液稀釋之后在顯微鏡下觀察到的組織 如下圖3.8，圖3.9所示。圖3.8 45鋼熱處理前的金相組織圖3.9 45鋼熱處理后金相組織分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)45鋼熱處理前后，淬火加高溫回火后得到組織是以均勻回火索氏體 為主的顯微組織。3.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果45鋼淬火加高溫回火后得到均勻的組織，以均勻回火回火索氏體為主。3.6 小結(jié)本章主要結(jié)合了目前鋼的熱處理研究所得到的成果對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)了熱處理前后45鋼的組織性能差別很大。其中加熱溫度840C、保溫時(shí)間15min淬火+高溫回火后45鋼的硬度已經(jīng)接近最大值。45鋼淬火是加熱溫度在840r是最理想

44、的，加熱溫度再升高不僅增加生產(chǎn)成本，而且 會(huì)引起淬火應(yīng)力降低，組織粗大等；同時(shí)保溫時(shí)間控制15min也是比較適宜的，保溫時(shí)間減少，可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻而造成硬度不足的現(xiàn)象，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使晶 粒粗大，氧化脫碳嚴(yán)重，影響淬火質(zhì)量。通過(guò)對(duì)45鋼熱處理前后的布氏硬度和洛氏硬度的對(duì)比， 可知45鋼經(jīng)過(guò)熱處理后硬 度明顯增強(qiáng)；對(duì)熱處理前后拉伸試驗(yàn)的對(duì)比，可知熱處理后的45鋼彈性極限、伸長(zhǎng)率、 彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)強(qiáng)度等一系列力學(xué)性能明顯提 高；對(duì)45鋼熱處理前后的金相組織對(duì)比，可知熱處理后的 45鋼金相組織明顯比熱處理 前的均勻化，性能提高了不少。通過(guò)與40Cr水淬的對(duì)比

45、發(fā)現(xiàn)，40Cr熱處理前后的硬度以及力學(xué)性能均好于 45鋼, 得出結(jié)論合金鋼的性能優(yōu)于碳素鋼。 但40Cr的價(jià)格較45鋼貴一半還多，故要求性能不 高的，出于經(jīng)濟(jì)因素考慮，還是45鋼優(yōu)先考慮。4 ANSYS有限元分析軟件ANSYS4.1 ANSYS軟件概述隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多有限元分析軟件得到普及，其中最普遍的準(zhǔn)確性較高，實(shí)用性較強(qiáng)，得到很多方面的使用。ANSYS軟件是國(guó)際上第一個(gè)通過(guò)IS09001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟件 。它是融結(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，可應(yīng)用于航空航天、土木建筑、機(jī)械、能源、交 通運(yùn)輸、電子生物、醫(yī)學(xué)、教學(xué)、科研等相關(guān)領(lǐng)域。熱分析中

46、基本符號(hào)及國(guó)際單位見(jiàn)表 4.1 0表4.1熱分析基礎(chǔ)單位項(xiàng)目國(guó)際單位ANSYS代號(hào)長(zhǎng)度m時(shí)間s質(zhì)量Kg溫度C力N能量（熱量）J功率（熱流率）W熱流密度W/m2生熱速率W/m3導(dǎo)熱系數(shù)W/m-CKXX對(duì)流系數(shù)W/m2 CHF密度Kg/m3DENS比熱J/Kg- CC焓J/m3ENTHANSYS有限元計(jì)算機(jī)模擬可將熱處理過(guò)程的物理現(xiàn)象和零件的幾何造型有機(jī)地 結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、逼真的模擬。無(wú)論是針對(duì)外形規(guī)則、對(duì)稱(chēng)的零件如軸、板等； 還是對(duì)于外形過(guò)于復(fù)雜的零件，都可以輕而易舉的完成。ANSYS模擬不僅可以真實(shí) 的描述零件的幾何形狀和邊界條件，而且還能成功地處理一些非線性初邊值問(wèn)題，通 過(guò)友好的用戶

47、接口 ，可很容易獲得鋼件淬火過(guò)程動(dòng)態(tài)圖、溫降歷程、溫度分布 ，因而特別適合復(fù)雜零件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬1 0ANSYS10.0熱分析分類(lèi)，主要有兩大類(lèi)。分別是穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱，穩(wěn)態(tài)傳熱是指 溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化，而瞬態(tài)傳熱是指溫度分布場(chǎng)隨時(shí)間明顯發(fā)生變化。4.2 基于ANSYS勺淬火溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)例分析某一圓柱體零件，將其由室溫840r冷卻到20r，用anasys軟件模擬不同時(shí)間 圓柱體內(nèi)溫度場(chǎng)分布以及在不同的關(guān)鍵點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化。4.2.1 前處理階段(1)建模。設(shè)圓柱體底面半徑 R=10mm,高h(yuǎn)=15mm。由于該45鋼熱處理試樣為圓柱體，為 軸對(duì)稱(chēng)模型，故我們可以取該圓柱的一

48、旋轉(zhuǎn)面，建立一個(gè)二維模型，使模擬過(guò)程得以 簡(jiǎn)化。在建模過(guò)程中，以m為單位。由手冊(cè)6查得45號(hào)鋼的比熱容、熱導(dǎo)率與溫度變化關(guān)系如表 4.2所示。表4.2 45鋼熱物性參數(shù)T/Ccp/J.(kg.C )；/W.(m C)-110048043.5320049840.4430052438.1340056036.0250061534.1660070031.9870085428.66755106425.1480080626.4990063725.92100060224.02pkg.m-37800(2) 網(wǎng)格劃分。以盡可能的獲得小正方形的標(biāo)準(zhǔn)劃分網(wǎng)格。（3）定義材料熱物性參數(shù)。45鋼的密度與溫度變化關(guān)系不是

49、很大，按常數(shù)處理，對(duì)最后結(jié)果影響不大。對(duì)比 熱容、熱導(dǎo)率、換熱系數(shù)等這些溫度影響較大的熱物性參數(shù)，過(guò)程溫度跨度大，組織變化程度大，因而將各熱物性參數(shù)看作恒量顯然是不合理的。因而比熱容、熱導(dǎo)率必 需看成是溫度的函數(shù)1。（4）具體操作。第一步：建立工作文件名和工作標(biāo)題。 啟動(dòng)ANSYS，修改工作文件名為45GANG。選擇Utility Menu > File >Change Job name,在彈出的對(duì)話框中輸入45GANG，然后點(diǎn)擊OK。 選擇 Utility Menu >File>Change Title，在彈出的對(duì)話框中輸入 Temperature field sim

50、ulation，然后點(diǎn)擊 OK。第二步：定義單元類(lèi)型。選擇 Main Menu>Preproceso> Element Type>Add/Edit/Delete,在彈出對(duì)話框中 選擇Thermal Solid和Quad 4node55,點(diǎn)擊OK后在單元增添對(duì)話框中，選擇PLANE 55 單元，然后點(diǎn)擊Options。在對(duì)話框中的K3中選擇Axisymmetric，點(diǎn)擊OK，然后點(diǎn)擊Close。第三步：定義材料性能參數(shù)。 啟動(dòng) ANSYS定義材料性能參數(shù)：選擇 Main Menu > Preprocesoi> Material Props >Temperatu

51、re Units 在彈出的 Specify Temperature Units對(duì)話框中選擇 Celsius。 定義坯料與溫度相關(guān)的熱導(dǎo)率： 選擇Main Menu > Preprocesoi>Material Props > Material Models,然后選中材料 1，點(diǎn)擊對(duì)話框右側(cè)的 Thermal > Conductivity > Isotropic,在彈出的坯料熱導(dǎo)率輸入對(duì)話框中點(diǎn)擊 Add Temperature 定義坯料與溫度相關(guān)的比熱容：點(diǎn)擊Thermal>Specific Heat> Isotropic,彈出比熱容輸入對(duì)話框，輸入材

52、料參數(shù)。 定義坯料密度：點(diǎn)擊Thermal>Density,在彈出對(duì)話框中輸入坯料密度。點(diǎn)擊 0K。坯料熱導(dǎo)率與比熱容隨溫度變化曲線見(jiàn)圖4.1,4.2。EXXPRZVrEr?ANSYSJUU JlOJ孑CIDTUii9UC圖4.1坯料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線PflfiVlEW7OTSYS圖4.2坯料比熱容隨溫度變化曲線所得網(wǎng)格分布結(jié)果如圖4.3 0ruMTur?!ftNSYSLTTH 7 3 011圖4.3網(wǎng)格劃分結(jié)果第四步：加載求解。 設(shè)置分析類(lèi)型：選擇 Ma in Me nu> Solutio n> An alysis TypeNew An alysis,在 彈出的New A

53、nalysis對(duì)話框中選擇分析類(lèi)型為 Transient,單擊OK按鈕，在彈出的 Transient Analysis對(duì)話框中選中Full單選框，單擊OK按鈕。 設(shè)置初始溫度：選擇 Main Menu > Solution > Define Loads> Apply > Initial Conditi >nefine,在彈出的節(jié)點(diǎn)拾取對(duì)話框中， 單擊Pick All按鈕后立即彈出Define Initial Conditions對(duì)話框。選擇自由度為 TEMP ,并設(shè)置初始溫度為840E，單擊OK 按鈕。 施加外邊界條件：選擇 Ma in Me nu > So

54、lution > Define Loads > App ly > Thermal >Convection>On Lines，彈出線拾取對(duì)話框，選中模型的外部邊界后，單擊拾取對(duì)話 框的OK按鈕，此時(shí)彈出Apply CONVC on Lines對(duì)話框，在其中Film coefficient 欄 中輸入110，表明對(duì)流傳熱系數(shù)為110;在Bulk temperature一欄中輸入20，表明最終 冷卻溫度為20 E，然后單擊OK。 設(shè)置時(shí) 間和載荷步：選擇 Ma in Menu > Solution > Load Ste p Opts > Time/Frequenc>Time-Time Setup，彈出 Time and Time Step Options 對(duì)話框，在 Time 一欄中輸入分析的最終時(shí)間800,在時(shí)間步長(zhǎng)一欄中輸入步長(zhǎng)時(shí)間1;在加載方式單選 按鈕中選擇StePPed單擊OK按鈕。設(shè)置結(jié)果輸出項(xiàng)：選擇 Ma in Me nu > Solutio n> Load Step Op ts> Out put