45鋼熱處理水冷過程分析 （太原）

45鋼熱處理水冷過程分析 （太原）,45鋼熱處理水冷過程分析,（太原）,45,熱處理,水冷,過程,進(jìn)程,分析,太原 誠(chéng)信聲明 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(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目： 45鋼熱處理水冷過程分析 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 材料成型及控制工程 學(xué)號(hào)：102018116 學(xué)生： 蘇志軍 指導(dǎo)教師（含職稱）：婁菊紅（副教授）專業(yè)負(fù)責(zé)人： 趙躍文 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鋼熱處理水冷過程溫度場(chǎng)分布；通過實(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．主要參考文獻(xiàn) [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） [2] 鋼件淬火過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝技術(shù)與材料研究，2008 [3] ANSYS10.0熱分析教程與實(shí)例解析 [4] 45鋼零件淬火過程溫度場(chǎng)分布的數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（03） [5] 材料科學(xué)基礎(chǔ)（鐵碳合金相圖與熱處理部分） 4．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)各階段名稱 起 止 日 期 1 查閱文獻(xiàn)，了解軟件，完成開題報(bào)告 2014.01.10至2014.03.10 2 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2014.03.31 3 進(jìn)行模擬計(jì)算和試驗(yàn)，準(zhǔn)備中期檢查 2014.04.01至2014.04.20 4 完成模擬計(jì)算和試驗(yàn)及結(jié)果分析 2014.04.20至2014.05.15 5 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯 2014.05.15至2014.06.05 45鋼熱處理水冷過程分析 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程中的溫度變化情況，為優(yōu)化熱處理工藝，使工件經(jīng)過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 Heat treatment of 45 steel cooling process analysis Abstract: 45 steel is carbon in the high-quality steel, Wc = 0.45%, hot and cold processing performance is good, better mechanical properties, and low cost, easy to get, so widely used in machinery manufacturing. Often used in the small cross section, the load of conditioning parts, such as main shaft, crankshaft, gear, connecting rod, sprocket, etc., its biggest weakness low hardenability, section size and requires high workpiece is not suitable for adoption. Higher requirements for performance parts, conditioning treatment must be carried out. After tempering process on 45 steel, get evenly tempered sorbite, making it has better comprehensive mechanical properties. Study this subject mainly through experiment and ANSYS software simulation. Including water quenching heat treatment of 45 steel and heat treatment before and after the contrast of mechanical properties and microstructure of 45 steel; Also, the mechanical properties of 40 cr alloy steel heat treatment and water quenching; Workpiece during quenching temperature difference between inside and outside the thermal stress and organization stress can result from the finite element ANSYS software of 45 steel heat treatment of water quench process, to simulate the temperature field analysis of the various components of a workpiece in the process of water quenching heat treatment temperature, in order to optimize the heat treatment process, the workpiece after heat treatment to obtain better mechanical performance to provide certain theoretical basis. Keywords: 45 steel, heat treatment, mechanical properties, the temperature field simulation III 目 錄 1 緒 論 1 2 資料綜述 2 2.1 鋼的分類 2 2.2 45鋼的熱處理工藝 3 2.2.1 加熱溫度的選擇 4 2.2.2 保溫時(shí)間的選擇 4 2.3 小 結(jié) 7 3 熱處理實(shí)驗(yàn) 7 3.1 前期準(zhǔn)備 8 3.1.1 實(shí)驗(yàn)概述 8 3.1.2 試件準(zhǔn)備 8 3.2 45鋼的熱處理 8 3.2.1 試驗(yàn)設(shè)備的介紹 8 3.2.2 實(shí)驗(yàn)概述 9 3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟 10 3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 11 3.3 布氏硬度和洛氏硬度實(shí)驗(yàn) 11 3.3.1 布氏硬度實(shí)驗(yàn) 11 3.3.2 洛氏硬度實(shí)驗(yàn) 13 3.4 拉伸試驗(yàn) 15 3.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 15 3.4.2 實(shí)驗(yàn)步驟 15 3.4.3 實(shí)驗(yàn)原理 16 3.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16 3.5 45鋼熱處理前后金相組織的分析比較 16 3.5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備 17 3.5.2 金相圖分析 18 3.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 19 3.6 小 結(jié) 19 4 ANSYS有限元分析軟件 20 4.1 ANSYS軟件概述 20 4.2 基于ANSYS的淬火溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)例分析 22 4.2.1 前處理階段 22 4.2.2 溫度分布圖 26 4.2.3 獲取關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖 29 4.3 小 結(jié) 32 總 結(jié) 33 參考文獻(xiàn) 34 致 謝 35 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒 論 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。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程中表現(xiàn)出來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]。ANSYS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——美國(guó)ANSYS公司開發(fā)[5]。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，求解模塊和后處理模塊；利用ANSYS軟件的熱分析模塊對(duì)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(shí)刻的溫度場(chǎng)，模擬過程對(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(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算，通過利用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)際過程一致，且運(yùn)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(jì)算淬火過程的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力做好準(zhǔn)備工作[7]。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 資料綜述 2.1 鋼的分類 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。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、特類鋼及普通低合金鋼。工具鋼用來制造各種工具的鋼，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。 碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量≤0.25%）、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≤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鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，其相關(guān)信息見表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 45 C％ 0.42-0.50 Mn％ 0.5-0.8 Si％ 0.17-0.37 Cr％ ≤0.25 正火850℃ 淬火：840℃水 回火：600℃ 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45鋼表示鋼中平均含碳量為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。調(diào)質(zhì)處理后零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850℃，淬火840℃，回火600℃，達(dá)到的性能為屈服強(qiáng)度≥355Mpa。 本文對(duì)45鋼采取840℃淬火，600℃高溫回火，淬火是為了得到馬氏體組織，再經(jīng)過回火后，可使工件獲得良好的使用性能。所謂淬火就是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上30-50℃，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)過淬火后的組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?；鼗鹗侵笇⒋慊痄摷訜岬紸1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。 2.2.1 加熱溫度的選擇 對(duì)45鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，其加熱過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。 鋼在淬火加熱過程中，如果操作不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生過熱、過燒或表面氧化、脫碳等缺陷。過熱是指工件在淬火加熱時(shí)，由于溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)，造成奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。過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—50℃。若在Ac1—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Ac3點(diǎn)過高，以防奧氏體晶粒粗化，淬火后獲得粗大的馬氏體。根據(jù)鐵碳合金相圖可確定實(shí)驗(yàn)溫度是840℃。 2.2.2 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，一般來說，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，引起應(yīng)力集中，易于產(chǎn)生脆性斷裂。 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τ=KD計(jì)算得保溫時(shí)間為15min，由ANSYS有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。 圖2.1 鐵碳合金相圖 其熱處理工藝曲線如下圖2.2,2.3所示。 840℃ τ=KD 水冷 圖2.2 淬火工藝曲線 圖2.3 高溫回火工藝曲線 對(duì)圖2.1中PSK(A1線)、GS(A3線)、ES(Acm線)是鋼在緩慢加熱和冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。共析鋼加熱至Fe-Fe3C相圖PSK(A1線)以上全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；亞、過共析鋼則必須加熱到GS(A3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，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。而在通過A3或Acm時(shí)，則分別從奧氏體中析出過剩鐵素體和滲碳體。 根據(jù)組織特征，將鐵碳合金相圖按含碳量劃分為七種類型：工業(yè)純鐵 Wc<0.0218%；共析鋼Wc=0.77%；亞共析鋼Wc=0.0218%－0.77%；過共析鋼 Wc=0.77%－2.11%；共晶白口鐵Wc=4.3%；亞共晶白口鐵Wc=2.11%－4.3%；過共晶白口鐵Wc=4.3%－6.69%。 2.3 小 結(jié) 本章介紹了鋼的分類以及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，對(duì)試樣采用調(diào)質(zhì)處理，其中包括兩個(gè)工藝過程。 淬火過程，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840℃；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15min，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840℃時(shí)開始計(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。 高溫回火過程，首先是將所有加熱的各種試樣放入預(yù)先達(dá)到600℃的爐中加熱。其次是保溫，等到加熱爐溫度再一次達(dá)到600℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保溫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℃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 箱式加熱爐見圖3.1。 = 1. 加熱室；2.加熱絲孔；3.測(cè)溫孔；4.接線盒；5.試樣； 6.控制開關(guān)；7.擋鐵；8.爐門；9.隔熱層；10.爐底板 圖3.1 箱式電阻爐結(jié)構(gòu)示意圖 箱式電阻爐有稱馬弗爐，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。熱室的開口處用爐門8封閉。爐門上有一個(gè)小孔，供觀察爐內(nèi)溫度和試樣加熱情況用。爐門下部有一擋鐵7，爐門關(guān)閉時(shí)，擋鐵掀動(dòng)控制開關(guān)6，使加熱室內(nèi)的電熱絲中有電流通過，當(dāng)爐門打開時(shí)，控制開關(guān)切斷了電源控制電路，此時(shí)即使閉合電源開關(guān)，電爐中的電熱絲也不會(huì)有電流通過，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。在加熱室后壁開有一圓孔3，供插入測(cè)量電偶用。整個(gè)爐體用鋼板包裹，并由支架支撐著。 箱式電阻爐用于熱處理加熱時(shí)，其爐溫大都是利用熱電偶高溫計(jì)和溫度指示調(diào)節(jié)儀進(jìn)行測(cè)量和控制的。 3.2.2 實(shí)驗(yàn)概述 碳鋼的熱處理一般有退火、正火、淬火、回火四種方法。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(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℃，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。 過共析鋼的淬火溫度為Ac1+（30-50℃）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有了而硬度低的殘余奧氏體增多了。所以過共析鋼過熱淬火組織的硬度、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)然是Ac1+（30-50℃）。 3.2.3 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840℃時(shí)開始計(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600℃，加熱一個(gè)小時(shí)后，取出空冷至常溫。 3.2.4 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) （1） 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。 （2） 實(shí)驗(yàn)步驟。 ① 根據(jù)材料和布氏硬度范圍由表2-1選擇F/D２值，確定壓頭直徑，載荷及載荷的保持時(shí)間。 ② 將壓頭裝在主軸襯套內(nèi)，先暫時(shí)將壓頭固定螺釘旋壓在壓頭桿扁平處。 圖 3.2 HBE-3000布氏硬度計(jì) ③ 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)針方向轉(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。 ④ 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。 ⑤ 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，降下工作臺(tái)，取下試樣。 ⑥ 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d2的數(shù)值，取平均值。 ⑦ 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)。 ①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0.8μm。 ②在試樣制備過程中，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。 ③布氏硬度試樣厚度至少應(yīng)為壓痕深度的10倍。 ④試驗(yàn)溫度一般在10-35℃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)見表3.1。 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（mm） HBS 壓痕直徑(mm) HBS 4.65 166 3.74 263 4.76 158 3.76 260 4.82 154 3.70 269 （5） 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） 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。 （2） 實(shí)驗(yàn)步驟 ① 據(jù)試樣材料及預(yù)計(jì)硬度范圍，選擇壓頭類型和初、主載荷。 ② 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。 ③ 順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)升降手輪，將試樣與壓頭緩慢接觸。 ④ 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。 ⑤ 逆時(shí)針方向旋轉(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. 圖 3.3 HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì) （3） 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) ①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。 ②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。 ③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)范見表3.2。 表3.2 常用三種洛氏硬度實(shí)驗(yàn)規(guī)范表 符號(hào) 壓頭類型 載荷kgf 硬度值有效范圍 使用范圍 HRA 120°金剛石圓錐體 60 70—85 適用于測(cè)量硬質(zhì)合金，表面淬火層或滲碳層 HRB 直徑為1.588mm鋼球 100 25—100 （相當(dāng)HB60--230） 適用于測(cè)量有色金屬，退火、正火鋼等 HRC 120°金剛石圓錐體 150 20—67 （相當(dāng)HB230--700） 適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等 （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)見表3.3。 表3.3 熱處理前后洛氏硬度的對(duì)比 1 2 3 4 平均值 熱處理前 7.5 10.6 8.9 10.3 9.325 熱處理后 26.6 26.7 27.4 27.0 26.925 45鋼水淬與合金鋼40Cr水淬的洛氏硬度對(duì)比見表3.4,3.5。 表3.4 熱處理前的洛氏硬度對(duì)比 1 2 3 4 平均值 45鋼熱處理前 7.5 10.6 8.9 10.3 9.325 40Cr熱處理前 21.0 21.6 22.0 19.3 20.975 表3.5 熱處理后的洛氏硬度對(duì)比 1 2 3 4 平均值 45鋼熱處理后 26.6 26.7 27.4 27.0 26.925 40Cr熱處理后 39.3 33.0 32.8 30.7 33.95 (5)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 ①通過對(duì)比45鋼熱處理前后的洛氏硬度，可知45鋼經(jīng)過熱處理水淬；后硬度顯著提高。 ②通過對(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。 ③通過對(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)擊開始按鈕，開始拉伸試驗(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；通過實(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 通過實(shí)驗(yàn)可得數(shù)據(jù)見表3.6。 表3.6 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 熱處理方式 伸長(zhǎng)量/mm 最小直徑/mm 延伸率 斷面收縮率 屈服載荷/N 斷裂載荷/N 屈服強(qiáng)度/Mpa 斷裂強(qiáng)度/Mpa 抗拉強(qiáng)度/Mpa 840℃水淬600℃回火 21 6.30 0.21 0.370 55000 62000 700 1989 789 注：伸長(zhǎng)率A=(Lu-Lo)/Lo×100%；截面收縮率Z=(So-S)/So×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 （1） 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備包括轉(zhuǎn)盤式金相預(yù)磨機(jī)，金相顯微鏡，金相圖譜。 （2） 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。 ①磨光，磨光通常是在砂紙上進(jìn)行的。砂紙上的每顆磨粒可以看成是一個(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90o)。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。 ②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粒可以成是一把刨刀，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。由于磨粒只能以彈性力與試樣作用，它所產(chǎn)生的切屑、劃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，不過也應(yīng)盡可能小。其次是精拋(又稱終拋)，其目的是除去粗拋產(chǎn)生的變形層，使拋光損傷減到最小。 ③腐蝕，試樣拋光后(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)過腐蝕。常用的腐蝕方法有化學(xué)腐蝕法和電解腐蝕法。 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，從而顯示出試樣的組織。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，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)過打磨試樣、研磨拋光及用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840℃、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840℃是最理想的，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。 通過與40Cr水淬的對(duì)比發(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 4.1 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ANSYS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ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件[6]。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。 熱分析中基本符號(hào)及國(guó)際單位見表4.1。 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 ℃ 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-℃ KXX 對(duì)流系數(shù) W/m2-℃ HF 密度 Kg/m3 DENS 比熱 J/Kg-℃ C 焓 J/m3 ENTH ANSYS有限元計(jì)算機(jī)模擬可將熱處理過程的物理現(xiàn)象和零件的幾何造型有機(jī)地結(jié)合起來, 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、逼真的模擬。無論是針對(duì)外形規(guī)則、對(duì)稱的零件如軸、板等；還是對(duì)于外形過于復(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題, 通過友好的用戶接口, 可很容易獲得鋼件淬火過程動(dòng)態(tài)圖、溫降歷程、溫度分布, 因而特別適合復(fù)雜零件淬火過程溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬[1]。 ANSYS10.0熱分析分類，主要有兩大類。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的淬火溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)例分析 某一圓柱體零件，將其由室溫840℃冷卻到20℃，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)稱模型，故我們可以取該圓柱的一旋轉(zhuǎn)面，建立一個(gè)二維模型，使模擬過程得以簡(jiǎn)化。在建模過程中, 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/℃ cp/J.(kg.℃) λ/W.(m℃)-1 ρ/kg.m-3 100 480 43.53 7800 200 498 40.44 300 524 38.13 400 560 36.02 500 615 34.16 600 700 31.98 700 854 28.66 755 1064 25.14 800 806 26.49 900 637 25.92 1000 602 24.02 （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。 ① 啟動(dòng)ANSYS，修改工作文件名為45GANG。選擇Utility Menu＞File＞Change Jobname，在彈出的對(duì)話框中輸入45GANG ，然后點(diǎn)擊OK。 ② 選擇Utility Menu＞File＞Change Title，在彈出的對(duì)話框中輸入Temperature field simulation，然后點(diǎn)擊OK。 第二步：定義單元類型。 選擇Main Menu＞Preprocesor＞Element Type＞Add/Edit/Delete,在彈出對(duì)話框中選擇Thermal Solid和Quad 4node 55,點(diǎn)擊OK后在單元增添對(duì)話框中，選擇PLANE55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)。 ① 啟動(dòng)ANSYS，定義材料性能參數(shù)：選擇Main Menu＞Preprocesor＞Material Props＞Temperature Units，在彈出的Specify Temperature Units對(duì)話框中選擇Celsius。 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(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。 ③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，輸入材料參數(shù)。 ④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OK。 坯料熱導(dǎo)率與比熱容隨溫度變化曲線見圖4.1,4.2。 圖4.1 坯料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線 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。 圖4.3 網(wǎng)格劃分結(jié)果 第四步：加載求解。 ①設(shè)置分析類型：選擇Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis,在彈出的New Analysis對(duì)話框中選擇分析類型為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。 ②設(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(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840℃，單擊OK按鈕。 ③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(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一欄中輸入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℃，然后單擊OK。 ④設(shè)置時(shí)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(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。 ⑤設(shè)置結(jié)果輸出項(xiàng)：選擇Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Output Ctrls＞DB/Results Files，彈出Controls for Database and Results File對(duì)話框。在Item下拉列表中選擇All items表明輸出所有計(jì)算結(jié)果。同時(shí)在FREQ欄中選擇Every Substep，表明為每計(jì)算完一個(gè)子步距輸出該子步對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。單擊OK按鈕。 ⑥求解：選擇Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS，單擊OK按鈕，求解開始。求解完畢后會(huì)彈出提示對(duì)話框。單擊提示對(duì)話框中的OK按鈕。 4.2.2 溫度分布圖 （1) 進(jìn)入通用后處理器，選擇第50秒的計(jì)算結(jié)果。選擇Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Pick在彈出的Results Files對(duì)話框中，選擇時(shí)間為的一項(xiàng)60，單擊Read按鈕后，第50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(duì)話框。 （2) 繪制第50秒時(shí)旋轉(zhuǎn)面的溫度分布：選擇Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solution，在彈出的Contour Nodal Solution Data對(duì)話框中，選擇DOF Solution＞Nodal Temperature，單擊OK按鈕，即可得到第50秒45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖。 （3）以此類推，可依次獲得45鋼在冷卻過程中的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布圖。（4）對(duì)各時(shí)間點(diǎn)溫度分布圖的分析。 從上述各個(gè)時(shí)間點(diǎn)溫度分布圖可以看出，該45鋼工件試樣在開始冷卻階段，工件內(nèi)外溫差較大，在后階段溫差逐漸減小，可以看出試樣在剛開始階段冷卻溫度變化范圍比后階段快。 （5）對(duì)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖分析。 從不同關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖可知，由于該45鋼工件尺寸較小，故工件上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)較相近，同樣可以從曲線看出剛開始階段溫度變化較快，在后階段溫度變化較慢，直至冷卻到常溫。 此次模擬選擇了四個(gè)溫度場(chǎng)進(jìn)行比較，分別是50秒、200秒、450秒和600秒時(shí)的圓柱體旋轉(zhuǎn)面的溫度場(chǎng)分布圖，如圖4.4,圖4.5，圖4.6，圖4.7所示為各時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布圖。 圖4.4 第50秒45鋼圓柱體旋轉(zhuǎn)面的溫度場(chǎng)分布圖 圖4.5 第200秒45鋼圓柱體旋轉(zhuǎn)面的溫度場(chǎng)分布圖 圖4.6 第450秒45鋼圓柱體旋轉(zhuǎn)面溫度場(chǎng)分布 圖4.7 第600秒45鋼圓柱體旋轉(zhuǎn)面溫度場(chǎng)分布 4.2.3 獲取關(guān)鍵點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖 （1) 選擇Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Graphs＞Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Graph Plots對(duì)話框，參照[14]對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （2) 選擇Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Graphs＞Modify Grid命令，出現(xiàn)Grid Modifications for Graph Plots對(duì)話框, 參照[14]對(duì)其進(jìn)行設(shè)置,單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。 （3) 選擇Main Menu＞TimeHist Postpro＞Define Variables命令，出現(xiàn)Defined Time-History Variables對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Add Time-History Variables對(duì)話框，選擇Nodal DOF result，單擊ok按鈕，出現(xiàn)Define Nodal Data菜單，選擇中心點(diǎn)K1,出現(xiàn)Define Nodal Data對(duì)話框，單擊OK按鈕即可。 （4) 選擇Main Menu＞TimeHist Postpro＞Graph