材料成型及控制工程畢業(yè)設計-合金鋼熱處理水冷過程分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　合金鋼熱處理水冷過程分析</p><p>　　合金鋼熱處理水冷過程分析</p><p>　　摘要：合金鋼是機械生產中常用的材料之一，改善合金鋼熱處理工藝具有重大意義。本次設計以

2、40Cr鋼為研究對象，對40Cr鋼進行試驗研究，測定熱處理前后材料硬度、塑韌性 ，分析熱處理前后材料組織和力學性能的改變，并進行材料的金相組織分析。另外利用ANSYS有限元分析軟件進行模擬，通過建立有限元模型，模擬40Cr鋼熱處理水冷過程溫度場隨時間的變化，同樣分析熱處理前后組織和力學性能的變化，與40Cr鋼油淬后的組織和力學性能進行比較。結果表明：采用油冷時，40Cr鋼具有較高的硬度，也具有更好的塑韌性。</p><

3、;p>　　關鍵詞：組織和力學性能，熱處理，金相組織,ANSYS模擬</p><p>　　Water-cooled alloy steel heat treatment process analysis </p><p>　　Abstract: Alloy Steel is one of the machinery used in the production of materials

4、, heat treatment process to improve the alloy has great significance. The design for the study 40Cr steel, 40Cr steel pilot study on measuring the hardness, plasticity and toughness after heat treatment, analysis of chan

5、ges in the material microstructure and mechanical properties before and after heat treatment, and material microstructure analysis. Also using ANSYS finite element analysis software to simulate, thro</p><p>

6、　　Keywords: Microstructure and Mechanical Properties,Heat Treatment, Microstructure, ANSYS simulation</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已

7、在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1研究的目的和意義1</p><p>　　1

8、.2要解決的問題和擬采用的手段2</p><p><b>　　1.3研究概況3</b></p><p>　　1.3.1我國熱處理技術的發(fā)展史3</p><p>　　1.3.2國內外金屬熱處理技術概況3</p><p>　　1.3.3我國熱處理計算機模擬的發(fā)展4</p><p>　　2 A

9、NSYS模擬試驗5</p><p>　　2.1 ANSYS軟件的介紹5</p><p><b>　　2.1.1概述5</b></p><p>　　2.1.2 ANSYS特點及應用領域5</p><p>　　2.2模擬方案的確定6</p><p><b>　　2.3試驗內容6&

10、lt;/b></p><p>　　2.3.1建立工作文件名和工作標題6</p><p>　　2.3.2定義單元類型7</p><p>　　2.3.3定義材料性能參數(shù)7</p><p>　　2.3.4創(chuàng)建幾何模型8</p><p>　　2.3.5加載求解10</p><p>　　2

11、.3.6查看求解結果13</p><p>　　2.4模擬結果的分析17</p><p>　　3 熱處理實驗18</p><p>　　3.1 40Cr鋼實驗前分析18</p><p>　　3.1.1 40Cr鋼的簡介18</p><p>　　3.1.2 40Cr鋼的化學成分18</p><

12、p>　　3.1.3 40Cr熱處理工藝特性介紹18</p><p>　　3.1.4 40Cr熱處理方案19</p><p>　　3.2熱處理實驗內容19</p><p>　　3.2.1實驗儀器及目的19</p><p>　　3.2.2淬火工藝19</p><p>　　3.3 硬度測量19</p&

13、gt;<p>　　3.3.1硬度概況20</p><p>　　3.3.2布氏硬度試驗21</p><p>　　3.3.3洛氏硬度試驗22</p><p>　　3.4 40Cr熱處理金相組織分析23</p><p>　　3.5 40Cr拉伸試驗24</p><p>　　3.5.1拉伸試驗介紹24

14、</p><p>　　3.5.2拉伸試驗內容25</p><p>　　3.6 40Cr水淬前后拉伸性能的比較26</p><p>　　3.7 40Cr水淬與油淬結果的比較26</p><p>　　3.7.1 40Cr油淬與水淬后洛氏硬度的比較26</p><p>　　3.7.2 40Cr水冷與油冷后的拉伸性能

15、比較27</p><p><b>　　總結27</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1研

16、究的目的和意義</p><p>　　工業(yè)用鋼是建設生產中使用最廣、用量最大的金屬材料，在現(xiàn)代工農業(yè)生產中占有重要的地位。工業(yè)用鋼的碳素鋼，由于價格低廉，便于冶煉，用以加工，且通過含碳量的增減和不同的熱處理可使其性能得到改善，因此能滿足很多次生產上的需要，至今仍是應用最廣泛的鋼鐵材料[1]。但是隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對鋼鐵的性能提出了越來越高的要求，即使采用各種強化途徑，如熱處理、塑性變形等，碳鋼的性能在很多方面

17、仍然不能滿足要求?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對鋼材提出了許多特性能要求，例如化工部門要求鋼材具有耐酸不銹性能，儀表工業(yè)要求材料具有特殊的電磁性能，汽車制造部門則要求鋼材具有良好的高溫強度等，這些特殊的物理化學性能只有采用合金鋼才能滿足[2]。在鐵碳的基礎上加入一種或幾種合金元素，使其性能和工藝性能得以提高的以鐵為基礎的合金即為合金鋼。</p><p>　　合金鋼一直從19世紀沿用至今，其在工業(yè)發(fā)展中的重要性是巨大的。40Cr

18、是常用的合金鋼之一，由于其綜合性能較好，具有很高的強度，良好的塑韌性，即具有良好的綜合機械性能；可用來制造汽車的連桿、螺栓、傳動軸及機床的主軸等零件[3]。</p><p>　　熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝。其目的是改變鋼的內部結構，以改善其性能，延長機器零件的使用壽命。恰當?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等熱加工工藝造成的各種缺陷，細化

19、晶粒，消除偏析降低內應力，使鋼的組織和性能更加均勻。根據加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝有退火 、正火、淬火和回火。按照熱處理在零件整個生產工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又可分為預備熱處理和最終熱處理。</p><p>　　合金鋼熱處理及水冷過程溫度場分布要考慮熱分析，而熱分析是廣泛應用于各個領域的一種分析工具。在實際生產中，常常會遇到各種各樣的熱量傳遞問題，包括熱傳遞、熱流密度、熱

20、應力等這些參數(shù)的確定。目前常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法離散單元法和有限差分法，其中有限元法是應用最廣泛的。ANSYS軟件就是以有限元法為載體的。ANSYS軟件的熱分析功能主要包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、熱輻射、相變、熱應力等，以及與熱有關的耦合場分析[4]。淬火冷卻過程屬于熱分析中的瞬態(tài)分析。在ANSYS有限元分析軟件在熱分析過程中，很好地結合了材料變溫過程中材料性能參數(shù)的變化，特別適用于鋼件淬火過程溫度場的準確計算，通過利

21、ANSYS有限元分析軟件對幾何外形簡單的40Cr零件水淬過程溫度場進行有限元模擬，得到了零件溫度隨水冷時間的分布關系。模擬結果與實際過程一致，且運算速度較快，適用于淬火液的選取及淬火工藝的優(yōu)化，并為精確計算淬火過程中的熱應力，殘余應力做好了準備工作[5]。</p><p>　　在淬火過程中，零件各部分在冷卻過程中溫度分布和組織轉變是不均勻的，最終在零件內部形成熱應力和相變應力，直接影響零件的機械性能和使用壽命，甚

22、至在使用過程中產生變形和開裂[6]。生產實踐表明，淬火冷卻過程是熱處理工藝中返修率最高和廢品率最高的工序，是熱處理質量控制中最難掌握的環(huán)節(jié)。淬火過程溫度分布的傳統(tǒng)方法是依靠試驗測定和經驗判斷，不能準確分析和預測淬火過程的溫度場。計算機模擬可將熱處理過程動態(tài)的模擬出來。ANSYS軟件具有強大的分析功能，特別適合復雜零件淬火過程溫度場的動態(tài)模，可快速準速地獲得鋼件淬火過程降溫歷程、溫度分布。</p><p>　　此次

23、設計研究首先從知識上我們掌握了合金鋼水冷的過程分析的相關知識，包括合金鋼水冷組織性能的變化以及有限元分析軟件的使用，軟件中各種曲線圖的解析，同時也鞏固了以前學過的課本的相關專業(yè)知識；其次此次設計研究意義很大，從中鍛煉了自己解決問題的能力，使自己的綜合能力得到了提升。</p><p>　　1.2要解決的問題和擬采用的手段</p><p>　　本課題要研究的問題和擬采用的手段有對40Cr鋼的分

24、類編號，材料性能等進行了解，可以通過查閱金屬學與熱處理相關書籍來了解40Cr鋼材料的相關內容；對ANSYS軟件進行學習來模擬合金鋼熱處理水冷過程中溫度場隨時間的變化關系，通過ANSYS軟件建立有限元模型來模擬合金鋼熱處理水冷過程中溫度場的分布，并觀察它隨時間變化的關系，從而得出結果；研究合金鋼熱處理前后組織及力學性能的變化，可以通過在熱處理試驗前對40Cr材料的布氏硬度進行測量，包括沖擊試樣和拉伸試樣的硬度測量，并且對拉伸試樣做拉伸試驗

25、，然后對拉伸試樣和沖擊試樣進行熱處理，熱處理包括對拉伸和沖擊試樣的尺寸、加熱溫度、保溫時間以及冷卻方式的確定，這些可以通過查閱文獻和相關公式來確定，熱處理試驗做完后同樣對其熱處理后的拉伸試樣做拉伸試驗，得出試驗結果，測定熱處理后試樣的組織與力學性能并與熱處理前試樣的組織及力學性能做比較，記錄試驗前后組織及力學性能的變化；與合金鋼油淬后的組織及力學性能做比較，可以根據以上同樣的方法，測定合金鋼油淬試驗前后的組織及力學性能的變化，記錄下數(shù)據

26、通過比較得出結論。</p><p><b>　　1.3研究概況</b></p><p>　　1.3.1我國熱處理技術的發(fā)展史</p><p>　　我國熱處理企業(yè)起源于50年代初，其中機械制造廠都設有熱處理工段和車間，期間購買了大批蘇制熱處理設備，并相應建立了第一批按蘇聯(lián)圖樣生產設備的電爐廠。一些高等工科學校經過院系調整后，創(chuàng)建了包括在機械制造工

27、藝系中的熱處理專業(yè)，于1951-1956年培養(yǎng)出了第一批?？坪捅究茻崽幚韺I(yè)的畢業(yè)生。50年代末和60年代初從前蘇聯(lián)學習歸來一批熱處理專業(yè)的留學生，還陸續(xù)建立了一些科研機構和大專院校，基本上能按照材料和應用科學進展的步伐開展熱處理基礎核心技術的研究和開發(fā)、涌現(xiàn)出一批科研成果，從人才培養(yǎng)、研究與開發(fā)、生產技術的革新和設備制造等方面初步形成了一個完整的專業(yè)體系。但是由于科研和生產應用的脫節(jié)，對革新生產設備的忽視以及長期閉關鎖國造成的目光短淺

28、，60、70年代的熱處理生產技術沒有明顯的進步，直到80年代改革開放以后，引進了先進的技術和設備，一些大型骨干企業(yè)的熱處理生產技術才有了明顯改觀。</p><p>　　1.3.2國內外金屬熱處理技術概況</p><p>　　隨著科學技術和工業(yè)的迅速發(fā)展，以及能源與材料資源的危機，要求材料科學解決發(fā)揮材料的潛力并發(fā)展新材料，以及提高材料的性能，對于金屬熱處理技術的要求也隨之提高。金屬熱處理技

29、術在機械制造領域里更顯示出它的重要地位。近年來國內外熱處理技術的發(fā)展都是很快的。</p><p>　　據估計,世界上鋼的產量的增長與鋼的熱處理量的增長,1970到2000年分別為2.9倍(6億噸到17.5億噸)及9倍(0.62億噸到5.6億噸),即鋼的熱處理量的增長為鋼產量增長的3倍。按工業(yè)化國家鋼的熱處理量以人口平均計,1975年為77公斤/人·年,到2000年為344公斤/人·年。<

30、/p><p>　　我國目前金屬熱處理技術發(fā)展水平還是落后于工業(yè)先進國家很遠的。以我國某些產品為例,如高速鋼和軸承鋼的產量占鋼的總產量的比例,我國高速鋼和軸承鋼的產量比重遠比其他國家高, 這說明我國軸承鋼和高速鋼的產品消耗量大,即質量差、使用壽命低。這也說明我國高速鋼與軸承鋼產品的熱處理技術比較落后。又如汽車軸承的壽命,我國約10萬公里,而國外可達20-50萬公里,鍛造模具的使用壽命,我們一般為幾千次,而國外一般都超過

31、萬次以上[7]。</p><p>　　1.3.3我國熱處理計算機模擬的發(fā)展</p><p>　　熱處理計算機模擬是有賴于計算機熱傳學、相變動力學、熱彈力學等學科的發(fā)展，它不僅為熱處理的計算機模擬的研究與應用提供了堅實的基礎，還促進了熱處理模擬技術的迅速發(fā)張。我國在淬透性控制、感應加熱、真空加熱、氣氛控制、爐溫控制、相變動力學曲線計算等方面已取得了成果。目前，熱處理模擬技術的應用正日益廣泛，

32、受到人們的重視。</p><p>　　2 ANSYS模擬試驗</p><p>　　2.1 ANSYS軟件的介紹</p><p><b>　　2.1.1概述</b></p><p>　　ANSYS是目前世界頂端的有限元商業(yè)應用程序。美國John Swanson博士于1970年創(chuàng)建ANSYS公司后，便開發(fā)出了該應用程序，以此

33、用計算機模擬工程結構分析，歷經30多年的不斷完善和修改，現(xiàn)成為全球最受歡迎的應用程序。其最新版本是ANSYS 14.0。</p><p>　　該應用程序的主要特點是緊跟計算機硬件、軟件發(fā)展的最新水平，功能豐富，用戶界面好，前、后處理和圖形功能完備，并且使用高效的有限元系統(tǒng)。它擁有豐富的、完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能夠高效地求解各類結構的靜力、動力、線性和非線性問題，并能有效地求解溫度場問題、散熱場

34、以及多場藕合問題；它的友好的圖形界面和程序結構使用戶易學易用，通常專業(yè)人員在一個月左右的時間內就能掌握其應用方法和技巧；它的完全交互式前后處理和圖形文件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型，生成有限元模型以及分析和評價結果的工作量；它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據庫，保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成；它的DDA 模塊實現(xiàn)了它與多個CAD軟件產品的有效連接。ANSYS的各種產品適應于各種計算機平臺的版本，為用戶提供了各種可能的選擇。</p>

35、<p>　　2.1.2 ANSYS特點及應用</p><p>　　ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優(yōu)化軟件包。與其它有限元分析軟件如SAP或NASTRAN等相比，它有以下特點：(1)數(shù)據統(tǒng)一：ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據庫來存儲模型數(shù)據及求解結果，實現(xiàn)前后處理、分析求解的數(shù)據統(tǒng)一。（2）強大的建模能力：ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI（圖形界面）就可建立各種復雜的幾何模型。（3

36、）強大的求解功能：ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據分析要求選擇合適的求解器。（4）強大的非線性分析功能：ANSYS具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。（5）智能網格劃分：ANSYS具有智能網格劃分功能，根據模型的特點自動生成有限元網格。（6）良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 （7） 良好的優(yōu)化功能[8]。</p><p>　　ANSYS的應用可分為民用和國防兩大類，主要有：汽車、火

37、車、輪船等運輸工具的碰撞分析；金屬成型、金屬切割;汽車零部件的機械制造;塑料成型、玻璃成型;生物力學;地震工程;消費品、建筑物、高速結構等的安全性分析；點焊、鉚焊、螺栓連接；液體－結構相互作用；運輸容器設計；內彈道發(fā)射對結構的動力響應分析；終點彈道的爆炸驅動和破壞效應分析；軍用新材料（包括炸藥、復合材料、特種金屬等）的研制和動力特性分析；超高速碰撞模擬分析等等。</p><p>　　2.2 模擬方案的確定<

38、/p><p>　　本試驗采用ANSYS10.0有限元分析軟件（圖2.1），對40Cr熱處理過程進行溫度場模擬。模擬方案如下：</p><p><b>　　圖 2.1</b></p><p>　　第一步：建立工作文件名和工作標題</p><p>　　第二步：定義單元類型</p><p>　　第三步：定義

39、材料性能參數(shù)</p><p>　　第四步：創(chuàng)建幾何模型，劃分網絡</p><p><b>　　第五步：加載求解</b></p><p>　　第六步：查看求解結果</p><p><b>　　2.3 試驗內容</b></p><p>　　2.3.1 建立工作文件名和工作標題&l

40、t;/p><p>　　（1）選擇Utility Menu | File| Chang jobname命令，出現(xiàn)Chang jobname對話框。在[/FILNAM]Enter new jobname文本框中輸入工作文件名EXERCISE1，單擊OK按鈕關閉該對話框。 </p><p>　?。?）選擇Utility Menu|File|Chang Title命令，出現(xiàn)Chang Title對話框

41、，在文本框中輸入TRANSIENT TEMPERATURE DISTRIBUTION IN AN METAL BAR,單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　2.3.2 定義單元類型</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete命令，出現(xiàn)Element Type對話框，單擊Add按鈕

42、，出現(xiàn)Library of Element Types對話框。</p><p>　　（2）在Library of Element Types列表框中選擇Thermal Solid，Quad 4node 55，在Element type reference number文本框中輸入1，單擊OK按鈕，關閉該對話框。</p><p>　?。?）單擊Element Type對話框上的Close按鈕

43、關閉對話框。</p><p>　　2.3.3 定義材料性能參數(shù)</p><p>　?。?）選擇Main Menu | preprocessor | Material Props | MatCrial Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對話框</p><p>　?。?）在Material Models Available

44、列表框中依次選擇Thermal | Conductivity | Orthotropic選項，出現(xiàn)Conductivity for Material Number 1對話框，在文本框中輸入材料導熱系數(shù)，如圖2.2所示，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p><b>　　圖 2.2</b></p><p>　　（3）選擇Ddfine Material Behavio

45、r對話框中的Specific Heat選項，出現(xiàn)Specific leat for Material Number1對話框，在文本框中輸入材料比熱，如圖2.3所示，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p><b>　　圖 2.3</b></p><p>　　選擇Define Material Model Behavior對話框上的Density選項，出現(xiàn)Densit

46、y For Material Number1對話框，在文本框中輸入材料密度7900，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　在Ddfine Material Behavior對話框中選擇Material | Exit命令，關閉對話。</p><p>　　2.3.4 創(chuàng)建幾何模型</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Preprocessor

47、| Modeling | Create | Areas | Rectangle | By Dimensions命令，出現(xiàn)Create Rectangle by Dimensions對話框。參照圖2.4對其進行設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.4 生成矩形面對話框</p><p>　　（2）選擇Utility Menu | PlotCtrls | Numbering

48、命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對話框，將選項LINE Line numbers從Off變?yōu)镺n狀態(tài)，其余選項均采用默認設置，單擊按鈕關閉該對話框。（提示：顯示線段編號）</p><p>　?。?）選擇Main Menu|Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | Picked Lines命令，出現(xiàn)Element

49、Size on菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個數(shù)50，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入0.2，如圖2.5所示，單擊OK按鈕關閉該對話框。（提示：將線段1劃分成50個單元，且線段上單元尺寸逐漸變?。?</p><p>　　圖2.5 設置單元個數(shù)對話

50、框</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入3，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸

51、入單元個數(shù)50，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入5，單擊OK按鈕關閉該對話框。（提示：將線段3劃分成40個單元，且線段上單元尺寸逐漸變大）</p><p>　?。?）選擇 Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入2，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes

52、 on Picked Line對話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個數(shù)30，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入0.2，單擊OK按鈕關閉該對話框。（提示：將線段2劃分成30個單元，且線段上單元尺寸逐漸變?。?lt;/p><p>　?。?）選擇Main Menu|Preprocessor |Meshing |Size Cntrls | ManualSize

53、| Lines | Picked Lines命令，出現(xiàn)Element Size on菜單，在文本框中輸入4，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Element Sizes on Picked Line對話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個數(shù)30，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入5，單擊OK按鈕關閉該對話框。（提示：將線段4劃分成30個單元，且線段上單元尺寸逐漸變大）</p>

54、<p>　?。?）選擇Main Menu | Preprocessor | Meshing | Meshing | MeshTools菜單，出現(xiàn)MeshTools菜單，單擊Mesh按鈕，出現(xiàn)Mesh Areas菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕關閉該菜單。</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | File | Chang Title命令，出現(xiàn)Chang Title對話框，在文本框中

55、輸入ELEMENTS IN MODEL，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu | Plot | Element命令，ANSYS顯示窗口顯示網格劃分結果，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 網格劃分結果</p><p>　?。?0）選擇Ulitity Menu | File | Save as命令，出現(xiàn)Save

56、 DataBase對話框，在Save Database to文本框中輸入EXERCISE1-1.db，保存上述操作過程，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　2.3.5 加載求解</p><p>　?。?)選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對話框，選擇分析類型為Ttansie

57、nt。單擊OK按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對話框，在[TRNOPT]Solution method選項組中選擇Full但選按鈕，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol’n Controls命令，出現(xiàn)Solution Contrls對話框，單擊Basic選項卡，參照圖2.7對其進行設置；單擊Tr

58、ansient選項卡，參照2.8對其進行設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.7 求解基本選項設置對話框 </p><p>　　圖2.8 求解瞬態(tài)選項設置對話框</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Temperature | Uniform

59、temp命令，出現(xiàn)Uniform Temperature對話框，在文本框中輸入850，如圖2.9所示，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.9 設置初始溫度對話框</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | Select | Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對話框。在第1個下拉列表中選擇Lines選項，其余選項均采用默認設置，單擊OK

60、按鈕，出現(xiàn)Select lines菜單，在文本框中輸入2,3，單擊OK按鈕關閉該菜單。</p><p>　　（5）選擇Ulitity Menu | Seclect | Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對話框。在第1個下拉列表框中選擇Nodes選項，在第2個下拉列表框中選擇Attached to選項，然后選擇Lines單選按鈕，再單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p&

61、gt;　　（6） 選擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Nodes命令，出現(xiàn)Apply CONY on Nodes菜單，單擊Pick All按鈕，出現(xiàn)Apply CONV on nodes對話框，參照圖2.10對其進行設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.10 施加對流載荷對話框&l

62、t;/p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu | Select | Everything命令。</p><p>　?。?）選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | Analysis Options命令，出現(xiàn)Full Transient Analysis對話框。在[EQSLV]Equation solver下拉列表框中選擇JGG out-of-

63、core選項，其余選項均采用默認設置，如圖2.11所示，然后單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.11 瞬態(tài)分析選項設置對話框</p><p>　　（9）選擇Ulitity Menu | File | Save as命令，出現(xiàn)Save DataBase對話框，在Save Database to文本框中輸入EXERCISE1-2.db，保存上述操作過程，單擊OK按鈕關閉該對話

64、框。</p><p>　　（10）選擇Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對話框，單擊OK按鈕，ANSYS開始求解計算。求解結束后，ANSYS顯示窗口出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關閉該對話框。</p><p>　　（11）選擇Utility Menu | File | Save

65、as命令，出現(xiàn)Save DataBase對話框，在Save Database to文本框中輸入EXERCISE1-3.db，保存求解結果，單擊OK按鈕關閉對話框。</p><p>　　2.3.6 查看求解結果</p><p>　　（1）選擇Main Menu | General Postproc | Read Results | Last Set命令。</p><p&g

66、t;　　（2）選擇Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot|Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對話框。選擇Nodal Solution | DOF Solution | Nodal Temperature，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口顯示溫度場等值線圖，如圖2.12所示。</p><p&g

67、t;　　圖2.12 30 分鐘后40Cr橫截面上溫度場分布等值線圖</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | Plotctrls | Style | Graphs | Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Graph Plots對話框，參照圖2.13對其進行設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　圖2.13 坐標軸設置

68、對話框</p><p>　　（4）選擇Utility Menu | Plotctrls | Style |Graphs |ModifyCurve命令，出現(xiàn)Curve Modifications for Graph Plots對話框，在[/GTHK]Thickness of curves下拉列表框中選擇Triple選項，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　?。?）選擇Utility

69、Menu|Plotctrls|Style|Colors|Graph Colors命令，出現(xiàn)Graph </p><p>　　Colors對話框，在CURVE Graph curve number 1下拉列表框中選擇黃色，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p><p>　　選擇Main Menu | TimeHist Postpro | Define Variables命令，出現(xiàn)Defined

70、Time-History Variables對話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Add Time-History Variable對話框，選擇Nodal DOF result，單擊Add Time-History Variable對話框上的OK按鈕，出現(xiàn)Define Nodal Data菜單，在文本框中輸入1，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Define Nodal Data對話框，參照圖2.14對其進行設置，單擊OK按鈕關閉該對話框。</p>

71、<p>　　圖2.14 定義節(jié)點數(shù)據對話框</p><p>　　（7）單擊Defined Time-History Variable對話框中的Close按鈕關閉該對話框。</p><p>　　（8）選擇Main Menu | TimeHist Postpro | Graph Variables命令，出現(xiàn)Graph Time-History Variables對話框，在NAVR1

72、 1st variable to graph文本框中輸入2，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口顯示型材橫截面中心溫度隨時間變化關系曲線圖，如圖2.15所示。 </p><p>　　圖2.15 30分鐘后40Cr橫截面中心溫度隨時間的變化關系曲線圖 </p><p>　?。?）按照同樣的方法可得到其節(jié)點2處的溫度時間曲線，如圖2.16所示。</p><p>　　圖

73、2.16 30分鐘后40Cr材料邊緣溫度隨時間的變化關系曲線圖</p><p>　?。?0）選擇Ulitity Menu | File | Exit命令，出現(xiàn)Exit Form ANSYS對話框，選擇Quit-No Save！，單擊OK按鈕，關閉ANSYS。</p><p>　　2.4 模擬結果的分析</p><p>　　圖2.12描述的是40Cr30分鐘時橫截面上

74、溫度場分布等值線圖。從圖中可以看出，由內到外依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍色、藍色，并呈梯形云圖分布。其中紅色代表的溫度最高，其值為為28.462℃；藍色代表的溫度最低其值為27.858℃，其他各色依次內到外溫度逐漸降低。</p><p>　　圖2.15和2.16描述的是40Cr橫截面中心和邊緣溫度隨時間的變化關系曲線圖. 從圖中可以看出,在水冷過程中40Cr合金鋼中心溫度隨時間呈非線性

75、變化，而且溫度隨時間下降的越來越慢。</p><p><b>　　3 熱處理實驗</b></p><p>　　3.1 40Cr鋼實驗前分析</p><p>　　3.1.1 40Cr鋼的簡介</p><p>　　（1）40Cr鋼概述</p><p>　　40Cr鋼因其在調質處理后具有較高的綜合力學性

76、能、低的缺口敏感性和較高的低溫沖擊韌性，因此在機械制造業(yè)得到廣泛的應用。40Cr鋼的淬透性良好，水淬時可淬透到φ28㎜～φ60㎜，油淬時可淬透到φ15㎜～φ40㎜；其除調質處理外還適于氰化和高頻淬火處理；切削性能較好，當硬度為HB174～HB229時，相對切削加工性為60%；適于制作機加工件，如一些軸類零[9]。</p><p>　?。?）40Cr鋼的性質</p><p>　　從鐵碳合金相

77、圖看，40Cr鋼屬于亞共析鋼，緩冷到室溫后的組織為鐵素體+珠光體；從鋼的分類來看，40Cr鋼屬于低淬透性調質鋼，具有很高的強度，良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合機械性能；40Cr鋼可用于制造汽車的連桿、螺栓、傳動軸及機床的主軸等零件。</p><p>　　3.1.2 40Cr鋼的化學成分</p><p>　　40Cr的化學成分ω/%[10]</p><p><

78、;b>　　表 3.1</b></p><p>　　3.1.3 40Cr熱處理工藝特性介紹</p><p><b>　　（1）預備熱處理</b></p><p>　　調質鋼經熱加工后，必須經過預備熱處理來降低硬度，便于切削加工，消除熱加工時造成的組織缺陷，細化晶粒，改善組織，為最終熱處理做好準備。對于40Cr鋼而言，可進行正火或

79、退火處理。</p><p><b>　?。?）最終熱處理</b></p><p>　　調質鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火。一般可以采用較慢的冷卻速度淬火，可以用油淬以避免熱處理缺陷。</p><p>　　3.1.4 40Cr熱處理方案</p><p>　　40Cr屬于中碳合金結構鋼，同時又是調質鋼。調制鋼的熱處理是淬火加

80、高溫回火。40Cr屬于亞共析鋼，其淬火溫度是將鋼加熱至臨界點Ac3以上30～50℃。 </p><p>　　根據淬火保溫時間公式T=KD,其中D為工件有效厚度，K為加熱系數(shù)1.5-2min/mm。工件有效厚度D=10mm,可選保溫時間20min.</p><p>　　最終熱處理方案定為：加熱850℃，保溫20分鐘，水冷30分鐘，回火620℃。</p><p>　　3

81、.2熱處理實驗內容</p><p>　　3.2.1實驗儀器及目的</p><p><b>　?。?）實驗常用儀器</b></p><p>　　箱式電阻加熱爐、冷卻槽、夾鉗、布氏和洛氏硬度計、金相砂紙、拋光機和游標卡尺等儀器。</p><p><b>　?。?）目的</b></p>&l

82、t;p>　?、偈煜や摰某Ｓ脽崽幚砉に?。</p><p>　?、谡莆諢崽幚砉に囅嚓P設備的操作方法。</p><p>　?、哿私夂辖鹪貙︿摕崽幚砉に嚨挠绊?。</p><p>　?、芰私饨鹣嘣嚇拥闹苽溥^程及方法，掌握正確使用顯微鏡觀察金相組織的方法。</p><p><b>　　3.2.2淬火工藝</b></p&

83、gt;<p>　　淬火是將鋼件加熱至臨界點Ac3或Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度冷卻得到的馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝。淬火的主要目的是使奧氏體化后的工件獲得盡量多的馬氏體，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。40Cr屬于調質鋼，熱處理工藝應選淬火加高溫回火，可以得到強韌結合的優(yōu)良綜合力學性能。</p><p>　　回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并

84、以適當方式冷卻到室溫的工藝過程。回火的主要目的是減少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，以滿足各種用途工件的性能要求。[11]</p><p><b>　　（1）試驗步驟</b></p><p>　?、賹υ嚇舆M行倒角，再做初步處理。</p><p>　?、趯⒃嚇臃胖良訜釥t中，關好爐門，調好加熱

85、溫度到850℃，保溫一定時間后取出。</p><p>　?、塾脢A鉗將試樣取出放在水中冷卻，然后對試樣進行回火處理。</p><p>　?。?）加熱溫度的確定</p><p>　　調制鋼的熱處理是淬火加高溫回火。40Cr屬于亞共析鋼，其淬火溫度是將鋼加熱至臨界點Ac3以上30～50℃,加熱溫度定為850℃。</p><p>　?。?）保溫時間的

86、確定</p><p>　　根據試樣的有效厚度D，由公式：T=kD，計算保溫時間T</p><p>　　式中：T-----加熱保溫時間，min；</p><p>　　k-----加熱系數(shù)；</p><p>　　D-----工件的有效厚度，mm。</p><p>　　根據《金屬學與熱處理》查得一般K=1.5～2.0min/

87、mm，試件D=10mm,所以求得加熱保溫時間為20分鐘。[12]</p><p><b>　　3.3 硬度測量</b></p><p><b>　　3.3.1硬度概況</b></p><p>　　硬度是表征金屬材料軟硬程度的一種性能。其物理意義隨試驗方法不同而不同。例如，劃痕法硬度值主要表征金屬切斷強度；回跳法硬度值主要表

88、征金屬彈性變形功的大?。粔喝敕ㄓ捕戎祫t表征金屬塑性變形抗力及應變硬化能力。因此，硬度是金屬各項力學性能的綜合體現(xiàn)。所以在很多情況下機械零部件只測定硬度便決定是否合格。</p><p>　　硬度試驗由于設備簡單，操作簡單、迅速，同時又能敏感地反映出金屬材料的化學成分和組織結構的差異，因而被廣泛用于檢查金屬材料的性能、熱加工工藝的質量或研究金屬組織結構的變化。因此，硬度試驗特別是壓入法硬度試驗在生產機科學研究中得到了

89、廣泛的應用。</p><p>　　3.3.2布氏硬度試驗</p><p><b>　　布氏硬度機</b></p><p><b>　　圖 3.1</b></p><p>　?。?）布氏硬度試驗原理</p><p>　　布氏硬度是900年由瑞典人提出來的。該試驗的原理是用一定直

90、徑D（mm）的鋼球或硬質合金球為壓頭，施以一定的F（N）。將其壓入試樣表面，經規(guī)定保持t(s)后卸載試驗力，試樣表面將殘留壓痕。</p><p>　?。?）布氏硬度的選用</p><p>　　布氏硬度試驗時一般采用直徑較大的壓頭，因而所得壓痕面積較大。布氏硬度試驗特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金等具有粗大晶?；蚪M成相的金屬材料的硬度[13]。</p><p>　?。?

91、）布氏硬度的優(yōu)缺點</p><p><b>　?、賰?yōu)點</b></p><p>　　壓痕面積大的一個優(yōu)點是其硬度值能反映金屬在較大范圍內各組各組成相的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻性的影響。壓痕較大的另一個優(yōu)點是實驗數(shù)據穩(wěn)定，重現(xiàn)性強。</p><p><b>　　②缺點</b></p><p&

92、gt;　　布氏硬度試驗的缺點是對不同材料需要更換壓頭直徑和改變實驗力，一般的布氏硬度試驗機上不能直接讀出硬度數(shù)據。壓痕直徑的測量也比較麻煩，需要放大30倍以上的讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑，因而不僅自動檢測室受到限制而且可能存在測量誤差，當壓痕直徑較大時不宜在成品上進行試驗，以免影響產品質量。布氏硬度的壓頭規(guī)格比較多，各種不同規(guī)格的壓頭所得硬度值必須注明所采用試驗參數(shù)。</p><p><b>　?。?）布氏

93、硬度數(shù)值</b></p><p>　　表 3.2 </p><p>　　3.3.3洛氏硬度試驗</p><p>　?。?）洛氏硬度試驗原理</p><p>　　洛氏硬度（Rockwell hardness，1919年）以一定形狀的壓頭壓入金屬表面，測量壓痕深度，以無量綱的深度表示材料的硬度值。<

94、;/p><p>　　洛氏硬度試驗所用的壓頭有兩種：一種是圓錐角α=120。的金剛石圓錐體，另一種是一定直徑的小淬火鋼球。</p><p>　　洛氏硬度值就是以施加初載荷狀態(tài)下的壓痕深度h來計算的。h越大，硬度值越低；反之，則越高。為了照顧習慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，一般用常數(shù)k減去h來計算硬度值，并規(guī)定每0.002mm的h為一個洛氏硬度單位。于是洛氏硬度值的計算式為：HR=k-h/0.002

95、，式中HR為洛氏硬度值。</p><p>　　當使用金剛石圓錐壓頭時，k取0.2mm；但使用小淬火鋼球壓頭時，k取0.26mm。</p><p>　?。?）洛氏硬度的選用</p><p>　　用試驗力較大的，不能用來測定較薄試樣、滲氮層及金屬鍍層等表面的硬度。</p><p>　?。?）洛氏硬度的優(yōu)缺點</p><p>

96、;<b>　?、賰?yōu)點</b></p><p>　　操作簡單、迅速，硬度可直接讀出；壓痕較小，可在工件上進行試驗；采用不同標尺可測定各種軟硬不同的金屬盒厚薄不一樣的試樣的硬度，因而廣泛用于熱處理質量檢驗。</p><p><b>　?、谌秉c</b></p><p>　　壓痕較小，代表性差；若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則

97、所測硬度值重復性差，分散度大；此外，用不同標尺測得的硬度值彼此沒有聯(lián)系，不能直接比較。</p><p><b>　　洛氏硬度數(shù)值</b></p><p><b>　　表 3.3</b></p><p>　　3.4 40Cr熱處理金相組織分析</p><p>　　40Cr淬火后的組織見圖3.3，未處理

98、的40Cr的金相組織見圖3.4。 </p><p>　　圖3.3 40Cr鋼淬火后的金相組織 </p><p>　　圖3.4 40Cr未處理的金相組織</p><p>　　分析： 40Cr未處理前組織為珠光體和鐵素體，調質處理后形成回火索氏體和少量鐵素體組織，可以看出水冷得到的組織并不是特別理想的狀態(tài)。</p>

99、<p>　　3.5 40Cr拉伸試驗</p><p>　　圖3.5 拉伸試驗機</p><p>　　3.5.1 拉伸試驗介紹</p><p>　　拉伸試驗一般采用光滑的圓柱或板狀（橫截面為長方形）試件，試件尺寸在國家標準《室溫拉伸試驗方法》（GB228—2002）中有明確的規(guī)定。以圓柱試件為例，其結構如圖3-3所示（試樣上存在的切口和裂紋都會導致受雙向、三

100、向應力狀態(tài)，因而改變單向受力狀態(tài)）。</p><p>　　光滑試件由三個部分組成：工作部分長度L0（也稱為標距長度）、工作部分直徑d0、過渡部分圓角半徑R（拉伸會產生應力集中，處理不好會在此斷裂）。夾持部分H（保證把載荷正確的加到工作部分，此部分長度不做要求）。</p><p>　　《室溫拉伸試驗方法》（GB228—2002）中規(guī)定了試樣截取的取向、部位、各種尺寸精度、試樣各部位的表面粗糙

101、度。</p><p>　　由拉伸試驗機拉伸試件，由附加儀器記錄拉伸力F及其對應的試件標距間長度的絕對伸長量ΔL。以F為縱坐標，ΔL為橫坐標，做出的F-ΔL曲線，稱為拉伸力-伸長曲線，也稱為拉伸圖（曲線）。</p><p>　　3.5.2 拉伸試驗內容</p><p>　?。?）拉伸試驗機拉力零位的調整</p><p>　　在進行拉伸前必須使接

102、力指針指零位，零位的誤差直接關系到實驗數(shù)值的正確性，一般操作時是這樣進行的：①把拉伸試樣夾上拉伸機后，把指針就指到零位；②把液壓泵起動后指針指到零位。這二種調整都存在較大的誤差，第一種液壓泵沒起動，系統(tǒng)沒有工作，指針零位毫無意義，液壓泵一動就變。第二種系統(tǒng)開始工作，但這時的指針零位不代表機器對試樣的拉力是零，因為拉伸機上夾口有幾百斤重，還有兩大拉桿重量，再加上液壓缸自重及運動阻力，合起來最少有半噸多，這些都不能算對試樣的拉力。因此正確的

103、調整應當是，把回油閥關好，打開送油閥，讓上夾口慢慢上升，在上升中把零位調整好，然后關掉送油閥，打開回油閥，放下夾口，安裝拉伸試樣，這樣在拉伸時，拉伸機的指針才會正確表示試樣所的拉力。</p><p>　?。?）試驗的尺寸確定</p><p>　　在實驗前應當正確測好試樣的直徑與標記長度。①試樣直徑的確定。試樣加工時一般會有少量的錐度，在長度區(qū)內的兩端和中間可能測量出三個直徑值，學生在實驗報

104、告中就有多種處理方法，如：取平均值、取中間值、取最小值等，取直徑不同自然就帶來應力值的不同，根據應力的定義，即應力表示物體內部單位面積所受的拉力，試樣各截面內拉力處處相同，因此直徑最小處應力最大，計算材料的應力應取直徑的最小值；②試樣長度的確定：第一種，測量試樣的總長和中部直徑長，通過總長的伸長量折算有效長度的伸長量。第二種，用油漆作標記，測量標記間距確定有效長度的伸長量。第三種，在有效長度內作等距標記，用斷口移位法計算出試樣有效長度的

105、伸長量。這三種方法，第一方法誤差較大，第三種方法精度最高[14]。</p><p>　　（3）拉伸試驗中的計算</p><p>　　拉伸試驗中需要測量的性能指標有抗拉強度、屈服強度、延伸率，斷面收縮率等。</p><p><b>　　表3.4</b></p><p>　　3.6 40Cr水淬前后拉伸性能的比較</p

106、><p><b>　　表3.5</b></p><p>　　從圖表可以看出處理后40Cr屈服強度和抗拉強度都有明顯改善，但是延伸率有所下降，綜合力學性能得到提升。</p><p>　　3.7 40Cr水淬與油淬結果的比較</p><p>　　3.7.1 40Cr油淬與水淬后洛氏硬度的比較</p><p&

107、gt;<b>　　表3.6</b></p><p>　　通過比較兩種材料處理前后的力學性能可以得出結論40Gr在經過油冷以后的洛氏硬度比水冷的要稍高。</p><p>　　3.7.2 40Cr水冷與油冷后的拉伸性能比較</p><p>　　表3.7 40Gr油淬的拉伸性能</p><p>　　表3.8 40Gr水淬的拉伸

108、性能</p><p>　　比較兩者的拉伸性能我們可以看出40Cr油淬后抗拉強度和屈服強度都要高于水淬之后的，而且40Cr油淬后比水淬后有更好的塑性和韌性。所以油淬后40Cr具有更好的綜合力學性能。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　熱處理是機械零件加工工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，通過恰當?shù)臒崽幚砉に嚳梢韵T、鍛、焊等加工

109、工藝造成的各種缺陷，細化晶粒，消除偏析，降低內應力，使鋼的組織和性能更加均勻。本次畢業(yè)設計是通過ANSYS軟件的學習建立模型，模擬40Cr水冷過程溫度場分布，得到其在水冷過程中溫度隨時間的變化關系。另外通過對40Cr鋼的熱處理實驗，研究其在處理前后組織和性能的變化，并與40Cr鋼油淬后的性能比較。結果得出40Cr油淬后的綜合力學性能要優(yōu)于水淬之后的力學性能。</p><p>　　通過對ANSYS軟件的學習，可以快

110、速方便的模擬出40Cr淬火過程。這樣的方法能夠了解工件在淬火過程中各個溫度在各時間的情況，還可以分析工件整體在冷卻過程中的溫度變化情況，從而為分析熱處理過程的溫度分布情況提供依據。</p><p>　　在畢業(yè)設計過程中，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，許多科學工作者在研究鋼的熱處理工藝時，其影響變量除了加熱溫度和保溫時間之外還有加熱速度和冷卻速度以及冷卻方式，這也是我進行實驗所欠缺的。只有對所有的影響熱處理工藝的參數(shù)進行分析對