材料成型及控制工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-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(jī)械生產(chǎn)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(shè)計(jì)以

2、40Cr鋼為研究對(duì)象，對(duì)40Cr鋼進(jìn)行試驗(yàn)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(xué)性能的改變，并進(jìn)行材料的金相組織分析。另外利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)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(shí)間的變化，同樣分析熱處理前后組織和力學(xué)性能的變化，與40Cr鋼油淬后的組織和力學(xué)性能進(jìn)行比較。結(jié)果表明：采用油冷時(shí)，40Cr鋼具有較高的硬度，也具有更好的塑韌性。</p><

3、;p>　　關(guān)鍵詞：組織和力學(xué)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(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

7、在參考文獻(xiàn)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(shù)的發(fā)展史3</p><p>　　1.3.2國內(nèi)外金屬熱處理技術(shù)概況3</p><p>　　1.3.3我國熱處理計(jì)算機(jī)模擬的發(fā)展4</p><p>　　2 A

9、NSYS模擬試驗(yàn)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(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域5</p><p>　　2.2模擬方案的確定6</p><p><b>　　2.3試驗(yàn)內(nèi)容6&

10、lt;/b></p><p>　　2.3.1建立工作文件名和工作標(biāo)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(jié)果13</p><p>　　2.4模擬結(jié)果的分析17</p><p>　　3 熱處理實(shí)驗(yàn)18</p><p>　　3.1 40Cr鋼實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容19</p><p>　　3.2.1實(shí)驗(yàn)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(yàn)21</p><p>　　3.3.3洛氏硬度試驗(yàn)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(yàn)24</p><p>　　3.5.1拉伸試驗(yàn)介紹24

14、</p><p>　　3.5.2拉伸試驗(yàn)內(nèi)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(jié)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(jié)27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(shè)生產(chǎn)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)中占有重要的地位。工業(yè)用鋼的碳素鋼，由于價(jià)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(chǎn)上的需要，至今仍是應(yīng)用最廣泛的鋼鐵材料[1]。但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼鐵的性能提出了越來越高的要求，即使采用各種強(qiáng)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(duì)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(qiáng)度等，這些特殊的物理化學(xué)性能只有采用合金鋼才能滿足[2]。在鐵碳的基礎(chǔ)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(chǔ)的合金即為合金鋼。</p><p>　　合金鋼一直從19世紀(jì)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(qiáng)度，良好的塑韌性，即具有良好的綜合機(jī)械性能；可用來制造汽車的連桿、螺栓、傳動(dòng)軸及機(jī)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(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，以改善其性能，延長機(jī)器零件的使用壽命。恰當(dāng)?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(xì)化

19、晶粒，消除偏析降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。根據(jù)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(gè)生產(chǎn)工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又可分為預(yù)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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種分析工具。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常會(huì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力等，以及與熱有關(guān)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(jié)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(zhǔn)確計(jì)算，通過利

21、ANSYS有限元分析軟件對(duì)幾何外形簡單的40Cr零件水淬過程溫度場進(jìn)行有限元模擬，得到了零件溫度隨水冷時(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)算淬火過程中的熱應(yīng)力，殘余應(yīng)力做好了準(zhǔn)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(zhuǎn)變是不均勻的，最終在零件內(nèi)部形成熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，直接影響零件的機(jī)械性能和使用壽命，甚

22、至在使用過程中產(chǎn)生變形和開裂[6]。生產(chǎn)實(shí)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(zhì)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(yàn)測定和經(jīng)驗(yàn)判斷，不能準(zhǔn)確分析和預(yù)測淬火過程的溫度場。計(jì)算機(jī)模擬可將熱處理過程動(dòng)態(tài)的模擬出來。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的分析功能，特別適合復(fù)雜零件淬火過程溫度場的動(dòng)態(tài)模，可快速準(zhǔn)速地獲得鋼件淬火過程降溫歷程、溫度分布。</p><p>　　此次

23、設(shè)計(jì)研究首先從知識(shí)上我們掌握了合金鋼水冷的過程分析的相關(guān)知識(shí)，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(shí)也鞏固了以前學(xué)過的課本的相關(guān)專業(yè)知識(shí)；其次此次設(shè)計(jì)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(duì)40Cr鋼的分

24、類編號(hào)，材料性能等進(jìn)行了解，可以通過查閱金屬學(xué)與熱處理相關(guān)書籍來了解40Cr鋼材料的相關(guān)內(nèi)容；對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)來模擬合金鋼熱處理水冷過程中溫度場隨時(shí)間的變化關(guān)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(shí)間變化的關(guān)系，從而得出結(jié)果；研究合金鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化，可以通過在熱處理試驗(yàn)前對(duì)40Cr材料的布氏硬度進(jìn)行測量，包括沖擊試樣和拉伸試樣的硬度測量，并且對(duì)拉伸試樣做拉伸試驗(yàn)

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

26、通過比較得出結(jié)論。</p><p><b>　　1.3研究概況</b></p><p>　　1.3.1我國熱處理技術(shù)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(jī)械制造廠都設(shè)有熱處理工段和車間，期間購買了大批蘇制熱處理設(shè)備，并相應(yīng)建立了第一批按蘇聯(lián)圖樣生產(chǎn)設(shè)備的電爐廠。一些高等工科學(xué)校經(jīng)過院系調(diào)整后，創(chuàng)建了包括在機(jī)械制造工

27、藝系中的熱處理專業(yè)，于1951-1956年培養(yǎng)出了第一批專科和本科熱處理專業(yè)的畢業(yè)生。50年代末和60年代初從前蘇聯(lián)學(xué)習(xí)歸來一批熱處理專業(yè)的留學(xué)生，還陸續(xù)建立了一些科研機(jī)構(gòu)和大專院校，基本上能按照材料和應(yīng)用科學(xué)進(jìn)展的步伐開展熱處理基礎(chǔ)核心技術(shù)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(chǎn)技術(shù)的革新和設(shè)備制造等方面初步形成了一個(gè)完整的專業(yè)體系。但是由于科研和生產(chǎn)應(yīng)用的脫節(jié)，對(duì)革新生產(chǎn)設(shè)備的忽視以及長期閉關(guān)鎖國造成的目光短淺

28、，60、70年代的熱處理生產(chǎn)技術(shù)沒有明顯的進(jìn)步，直到80年代改革開放以后，引進(jìn)了先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，一些大型骨干企業(yè)的熱處理生產(chǎn)技術(shù)才有了明顯改觀。</p><p>　　1.3.2國內(nèi)外金屬熱處理技術(shù)概況</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的迅速發(fā)展，以及能源與材料資源的危機(jī)，要求材料科學(xué)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(duì)于金屬熱處理技術(shù)的要求也隨之提高。金屬熱處理技

29、術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域里更顯示出它的重要地位。近年來國內(nèi)外熱處理技術(shù)的發(fā)展都是很快的。</p><p>　　據(jù)估計(jì),世界上鋼的產(chǎn)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(chǎn)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(jì),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(shù)發(fā)展水平還是落后于工業(yè)先進(jìn)國家很遠(yuǎn)的。以我國某些產(chǎn)品為例,如高速鋼和軸承鋼的產(chǎn)量占鋼的總產(chǎn)量的比例,我國高速鋼和軸承鋼的產(chǎn)量比重遠(yuǎn)比其他國家高, 這說明我國軸承鋼和高速鋼的產(chǎn)品消耗量大,即質(zhì)量差、使用壽命低。這也說明我國高速鋼與軸承鋼產(chǎn)品的熱處理技術(shù)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(dá)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(jì)算機(jī)模擬的發(fā)展</p><p>　　熱處理計(jì)算機(jī)模擬是有賴于計(jì)算機(jī)熱傳學(xué)、相變動(dòng)力學(xué)、熱彈力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，它不僅為熱處理的計(jì)算機(jī)模擬的研究與應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還促進(jìn)了熱處理模擬技術(shù)的迅速發(fā)張。我國在淬透性控制、感應(yīng)加熱、真空加熱、氣氛控制、爐溫控制、相變動(dòng)力學(xué)曲線計(jì)算等方面已取得了成果。目前，熱處理模擬技術(shù)的應(yīng)用正日益廣泛，

32、受到人們的重視。</p><p>　　2 ANSYS模擬試驗(yàn)</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(yīng)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(yīng)用程序，以此

33、用計(jì)算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析，歷經(jīng)30多年的不斷完善和修改，現(xiàn)成為全球最受歡迎的應(yīng)用程序。其最新版本是ANSYS 14.0。</p><p>　　該應(yīng)用程序的主要特點(diǎn)是緊跟計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)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(jié)構(gòu)使用戶易學(xué)易用，通常專業(yè)人員在一個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)就能掌握其應(yīng)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(píng)價(jià)結(jié)果的工作量；它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)了它與多個(gè)CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。ANSYS的各種產(chǎn)品適應(yīng)于各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)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(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一：ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（2）強(qiáng)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(fù)雜的幾何模型。（3

36、）強(qiáng)大的求解功能：ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。（4）強(qiáng)大的非線性分析功能：ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。（5）智能網(wǎng)格劃分：ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)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(yīng)用可分為民用和國防兩大類，主要有：汽車、火

37、車、輪船等運(yùn)輸工具的碰撞分析；金屬成型、金屬切割;汽車零部件的機(jī)械制造;塑料成型、玻璃成型;生物力學(xué);地震工程;消費(fèi)品、建筑物、高速結(jié)構(gòu)等的安全性分析；點(diǎn)焊、鉚焊、螺栓連接；液體－結(jié)構(gòu)相互作用；運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)；內(nèi)彈道發(fā)射對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析；終點(diǎn)彈道的爆炸驅(qū)動(dòng)和破壞效應(yīng)分析；軍用新材料（包括炸藥、復(fù)合材料、特種金屬等）的研制和動(dòng)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(yàn)采用ANSYS10.0有限元分析軟件（圖2.1），對(duì)40Cr熱處理過程進(jìn)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(biāo)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(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　第五步：加載求解</b></p><p>　　第六步：查看求解結(jié)果</p><p><b>　　2.3 試驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　2.3.1 建立工作文件名和工作標(biāo)題&l

40、t;/p><p>　?。?）選擇Utility Menu | File| Chang jobname命令，出現(xiàn)Chang jobname對(duì)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(guān)閉該對(duì)話框。 </p><p>　　（2）選擇Utility Menu|File|Chang Title命令，出現(xiàn)Chang Title對(duì)話框

41、，在文本框中輸入TRANSIENT TEMPERATURE DISTRIBUTION IN AN METAL BAR,單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)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(duì)話框，單擊Add按鈕

42、，出現(xiàn)Library of Element Types對(duì)話框。</p><p>　?。?）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(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　（3）單擊Element Type對(duì)話框上的Close按鈕

43、關(guān)閉對(duì)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(duì)話框</p><p>　?。?）在Material Models Available

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

45、r對(duì)話框中的Specific Heat選項(xiàng)，出現(xiàn)Specific leat for Material Number1對(duì)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(guān)閉該對(duì)話框。</p><p><b>　　圖 2.3</b></p><p>　　選擇Define Material Model Behavior對(duì)話框上的Density選項(xiàng)，出現(xiàn)Densit

46、y For Material Number1對(duì)話框，在文本框中輸入材料密度7900，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　在Ddfine Material Behavior對(duì)話框中選擇Material | Exit命令，關(guān)閉對(duì)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(duì)話框。參照?qǐng)D2.4對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.4 生成矩形面對(duì)話框</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | PlotCtrls | Numbering

48、命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對(duì)話框，將選項(xiàng)LINE Line numbers從Off變?yōu)镺n狀態(tài)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，單擊按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：顯示線段編號(hào)）</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(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)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(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段1劃分成50個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變小） </p><p>　　圖2.5 設(shè)置單元個(gè)數(shù)對(duì)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(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸

51、入單元個(gè)數(shù)50，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入5，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段3劃分成40個(gè)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(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)30，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入0.2，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段2劃分成30個(gè)單元，且線段上單元尺寸逐漸變小）</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(duì)話框，在NDIV No.of element divisions文本框中輸入單元個(gè)數(shù)30，在SPACE Spacing ratio文本框中輸入5，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。（提示：將線段4劃分成30個(gè)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(guān)閉該菜單。</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | File | Chang Title命令，出現(xiàn)Chang Title對(duì)話框，在文本框中

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

56、 DataBase對(duì)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(guān)閉該對(duì)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(duì)話框，選擇分析類型為Ttansie

57、nt。單擊OK按鈕，出現(xiàn)Transient Analysis對(duì)話框，在[TRNOPT]Solution method選項(xiàng)組中選擇Full但選按鈕，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　（2）選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol’n Controls命令，出現(xiàn)Solution Contrls對(duì)話框，單擊Basic選項(xiàng)卡，參照?qǐng)D2.7對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；單擊Tr

58、ansient選項(xiàng)卡，參照2.8對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.7 求解基本選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框 </p><p>　　圖2.8 求解瞬態(tài)選項(xiàng)設(shè)置對(duì)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(duì)話框，在文本框中輸入850，如圖2.9所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.9 設(shè)置初始溫度對(duì)話框</p><p>　?。?）選擇Utility Menu | Select | Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表中選擇Lines選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)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(guān)閉該菜單。</p><p>　?。?）選擇Ulitity Menu | Seclect | Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對(duì)話框。在第1個(gè)下拉列表框中選擇Nodes選項(xiàng)，在第2個(gè)下拉列表框中選擇Attached to選項(xiàng)，然后選擇Lines單選按鈕，再單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)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(duì)話框，參照?qǐng)D2.10對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.10 施加對(duì)流載荷對(duì)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(duì)話框。在[EQSLV]Equation solver下拉列表框中選擇JGG out-of-

63、core選項(xiàng)，其余選項(xiàng)均采用默認(rèn)設(shè)置，如圖2.11所示，然后單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.11 瞬態(tài)分析選項(xiàng)設(shè)置對(duì)話框</p><p>　　（9）選擇Ulitity Menu | File | Save as命令，出現(xiàn)Save DataBase對(duì)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(guān)閉該對(duì)話

64、框。</p><p>　?。?0）選擇Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，出現(xiàn)Solve Current Load Step對(duì)話框，單擊OK按鈕，ANSYS開始求解計(jì)算。求解結(jié)束后，ANSYS顯示窗口出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　?。?1）選擇Utility Menu | File | Save

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

66、t;　?。?）選擇Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot|Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對(duì)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(duì)話框，參照?qǐng)D2.13對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　　圖2.13 坐標(biāo)軸設(shè)置

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

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

70、Time-History Variables對(duì)話框，單擊Add按鈕，出現(xiàn)Add Time-History Variable對(duì)話框，選擇Nodal DOF result，單擊Add Time-History Variable對(duì)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(duì)話框，參照?qǐng)D2.14對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，單擊OK按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p>

71、<p>　　圖2.14 定義節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)話框</p><p>　?。?）單擊Defined Time-History Variable對(duì)話框中的Close按鈕關(guān)閉該對(duì)話框。</p><p>　?。?）選擇Main Menu | TimeHist Postpro | Graph Variables命令，出現(xiàn)Graph Time-History Variables對(duì)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(shí)間變化關(guān)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(shí)間的變化關(guān)系曲線圖 </p><p>　?。?）按照同樣的方法可得到其節(jié)點(diǎn)2處的溫度時(shí)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(shí)間的變化關(guān)系曲線圖</p><p>　　（10）選擇Ulitity Menu | File | Exit命令，出現(xiàn)Exit Form ANSYS對(duì)話框，選擇Quit-No Save！，單擊OK按鈕，關(guān)閉ANSYS。</p><p>　　2.4 模擬結(jié)果的分析</p><p>　　圖2.12描述的是40Cr30分鐘時(shí)橫截面上

74、溫度場分布等值線圖。從圖中可以看出，由內(nèi)到外依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍(lán)色、藍(lán)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(lán)色代表的溫度最低其值為27.858℃，其他各色依次內(nèi)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(shí)間的變化關(guān)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(shí)間呈非線性

75、變化，而且溫度隨時(shí)間下降的越來越慢。</p><p><b>　　3 熱處理實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　3.1 40Cr鋼實(shí)驗(yàn)前分析</p><p>　　3.1.1 40Cr鋼的簡介</p><p>　?。?）40Cr鋼概述</p><p>　　40Cr鋼因其在調(diào)質(zhì)處理后具有較高的綜合力學(xué)性

76、能、低的缺口敏感性和較高的低溫沖擊韌性，因此在機(jī)械制造業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。40Cr鋼的淬透性良好，水淬時(shí)可淬透到φ28㎜～φ60㎜，油淬時(shí)可淬透到φ15㎜～φ40㎜；其除調(diào)質(zhì)處理外還適于氰化和高頻淬火處理；切削性能較好，當(dāng)硬度為HB174～HB229時(shí)，相對(duì)切削加工性為60%；適于制作機(jī)加工件，如一些軸類零[9]。</p><p>　　（2）40Cr鋼的性質(zhì)</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(diào)質(zhì)鋼，具有很高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合機(jī)械性能；40Cr鋼可用于制造汽車的連桿、螺栓、傳動(dòng)軸及機(jī)床的主軸等零件。</p><p>　　3.1.2 40Cr鋼的化學(xué)成分</p><p>　　40Cr的化學(xué)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(yù)備熱處理</b></p><p>　　調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)熱加工后，必須經(jīng)過預(yù)備熱處理來降低硬度，便于切削加工，消除熱加工時(shí)造成的組織缺陷，細(xì)化晶粒，改善組織，為最終熱處理做好準(zhǔn)備。對(duì)于40Cr鋼而言，可進(jìn)行正火或

79、退火處理。</p><p><b>　?。?）最終熱處理</b></p><p>　　調(diào)質(zhì)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(jié)構(gòu)鋼，同時(shí)又是調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)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(diǎn)Ac3以上30～50℃。 </p><p>　　根據(jù)淬火保溫時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容</p><p>　　3.2.1實(shí)驗(yàn)儀器及目的</p><p><b>　　（1）實(shí)驗(yàn)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(jì)、金相砂紙、拋光機(jī)和游標(biāo)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(guān)設(shè)備的操作方法。</p><p>　?、哿私夂辖鹪貙?duì)鋼熱處理工藝的影響。</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(diǎn)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(diào)質(zhì)鋼，熱處理工藝應(yīng)選淬火加高溫回火，可以得到強(qiáng)韌結(jié)合的優(yōu)良綜合力學(xué)性能。</p><p>　　回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并

84、以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過程?；鼗鸬闹饕康氖菧p少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工件的性能要求。[11]</p><p><b>　?。?）試驗(yàn)步驟</b></p><p>　?、賹?duì)試樣進(jìn)行倒角，再做初步處理。</p><p>　?、趯⒃嚇臃胖良訜釥t中，關(guān)好爐門，調(diào)好加熱

85、溫度到850℃，保溫一定時(shí)間后取出。</p><p>　　③用夾鉗將試樣取出放在水中冷卻，然后對(duì)試樣進(jìn)行回火處理。</p><p>　　（2）加熱溫度的確定</p><p>　　調(diào)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(diǎn)Ac3以上30～50℃,加熱溫度定為850℃。</p><p>　　（3）保溫時(shí)間的

86、確定</p><p>　　根據(jù)試樣的有效厚度D，由公式：T=kD，計(jì)算保溫時(shí)間T</p><p>　　式中：T-----加熱保溫時(shí)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(jù)《金屬學(xué)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(shí)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(yàn)方法不同而不同。例如，劃痕法硬度值主要表征金屬切斷強(qiáng)度；回跳法硬度值主要表

88、征金屬彈性變形功的大??；壓入法硬度值則表征金屬塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。因此，硬度是金屬各項(xiàng)力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)。所以在很多情況下機(jī)械零部件只測定硬度便決定是否合格。</p><p>　　硬度試驗(yàn)由于設(shè)備簡單，操作簡單、迅速，同時(shí)又能敏感地反映出金屬材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)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(zhì)量或研究金屬組織結(jié)構(gòu)的變化。因此，硬度試驗(yàn)特別是壓入法硬度試驗(yàn)在生產(chǎn)機(jī)科學(xué)研究中得到了

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

90、徑D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，施以一定的F（N）。將其壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持t(s)后卸載試驗(yàn)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(yàn)時(shí)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(yàn)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(diǎn)</p><p><b>　　①優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　壓痕面積大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其硬度值能反映金屬在較大范圍內(nèi)各組各組成相的平均性能，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻性的影響。壓痕較大的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重現(xiàn)性強(qiáng)。</p><p><b>　?、谌秉c(diǎn)</b></p><p&

92、gt;　　布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對(duì)不同材料需要更換壓頭直徑和改變實(shí)驗(yàn)力，一般的布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上不能直接讀出硬度數(shù)據(jù)。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(dòng)檢測室受到限制而且可能存在測量誤差，當(dāng)壓痕直徑較大時(shí)不宜在成品上進(jìn)行試驗(yàn)，以免影響產(chǎn)品質(zhì)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(yàn)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(yàn)</p><p>　?。?）洛氏硬度試驗(yàn)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(yàn)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(jì)算的。h越大，硬度值越低；反之，則越高。為了照顧習(xí)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(jì)算硬度值，并規(guī)定每0.002mm的h為一個(gè)洛氏硬度單位。于是洛氏硬度值的計(jì)算式為：HR=k-h/0.002

95、，式中HR為洛氏硬度值。</p><p>　　當(dāng)使用金剛石圓錐壓頭時(shí)，k取0.2mm；但使用小淬火鋼球壓頭時(shí)，k取0.26mm。</p><p>　?。?）洛氏硬度的選用</p><p>　　用試驗(yàn)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>　　（3）洛氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>

96、;<b>　?、賰?yōu)點(diǎn)</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(jìn)行試驗(yàn)；采用不同標(biāo)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(zhì)量檢驗(yàn)。</p><p><b>　?、谌秉c(diǎn)</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(fù)性差，分散度大；此外，用不同標(biāo)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(diào)質(zhì)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(yàn)</p><p>　　圖3.5 拉伸試驗(yàn)機(jī)</p><p>　　3.5.1 拉伸試驗(yàn)介紹</p><p>　　拉伸試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)《室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB228—2002）中有明確的規(guī)定。以圓柱試件為例，其結(jié)構(gòu)如圖3-3所示（試樣上存在的切口和裂紋都會(huì)導(dǎo)致受雙向、三

100、向應(yīng)力狀態(tài)，因而改變單向受力狀態(tài)）。</p><p>　　光滑試件由三個(gè)部分組成：工作部分長度L0（也稱為標(biāo)距長度）、工作部分直徑d0、過渡部分圓角半徑R（拉伸會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，處理不好會(huì)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(yàn)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(yàn)機(jī)拉伸試件，由附加儀器記錄拉伸力F及其對(duì)應(yīng)的試件標(biāo)距間長度的絕對(duì)伸長量ΔL。以F為縱坐標(biāo)，ΔL為橫坐標(biāo)，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(yàn)內(nèi)容</p><p>　?。?）拉伸試驗(yàn)機(jī)拉力零位的調(diào)整</p><p>　　在進(jìn)行拉伸前必須使接

102、力指針指零位，零位的誤差直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)數(shù)值的正確性，一般操作時(shí)是這樣進(jìn)行的：①把拉伸試樣夾上拉伸機(jī)后，把指針就指到零位；②把液壓泵起動(dòng)后指針指到零位。這二種調(diào)整都存在較大的誤差，第一種液壓泵沒起動(dòng)，系統(tǒng)沒有工作，指針零位毫無意義，液壓泵一動(dòng)就變。第二種系統(tǒng)開始工作，但這時(shí)的指針零位不代表機(jī)器對(duì)試樣的拉力是零，因?yàn)槔鞕C(jī)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(yùn)動(dòng)阻力，合起來最少有半噸多，這些都不能算對(duì)試樣的拉力。因此正確的

103、調(diào)整應(yīng)當(dāng)是，把回油閥關(guān)好，打開送油閥，讓上夾口慢慢上升，在上升中把零位調(diào)整好，然后關(guān)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(shí)，拉伸機(jī)的指針才會(huì)正確表示試樣所的拉力。</p><p>　?。?）試驗(yàn)的尺寸確定</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)當(dāng)正確測好試樣的直徑與標(biāo)記長度。①試樣直徑的確定。試樣加工時(shí)一般會(huì)有少量的錐度，在長度區(qū)內(nèi)的兩端和中間可能測量出三個(gè)直徑值，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)

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(yīng)力值的不同，根據(jù)應(yīng)力的定義，即應(yīng)力表示物體內(nèi)部單位面積所受的拉力，試樣各截面內(nèi)拉力處處相同，因此直徑最小處應(yīng)力最大，計(jì)算材料的應(yīng)力應(yīng)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(biāo)記，測量標(biāo)記間距確定有效長度的伸長量。第三種，在有效長度內(nèi)作等距標(biāo)記，用斷口移位法計(jì)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>　?。?）拉伸試驗(yàn)中的計(jì)算</p><p>　　拉伸試驗(yàn)中需要測量的性能指標(biāo)有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都有明顯改善，但是延伸率有所下降，綜合力學(xué)性能得到提升。</p><p>　　3.7 40Cr水淬與油淬結(jié)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(xué)性能可以得出結(jié)論40Gr在經(jīng)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(xué)性能。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　熱處理是機(jī)械零件加工工藝過程中的重要環(huán)節(jié)，通過恰當(dāng)?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(xì)化晶粒，消除偏析，降低內(nèi)應(yīng)力，使鋼的組織和性能更加均勻。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是通過ANSYS軟件的學(xué)習(xí)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(shí)間的變化關(guān)系。另外通過對(duì)40Cr鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)，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(jié)果得出40Cr油淬后的綜合力學(xué)性能要優(yōu)于水淬之后的力學(xué)性能。</p><p>　　通過對(duì)ANSYS軟件的學(xué)習(xí)，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(gè)溫度在各時(shí)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(jù)。</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，許多科學(xué)工作者在研究鋼的熱處理工藝時(shí)，其影響變量除了加熱溫度和保溫時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)所欠缺的。只有對(duì)所有的影響熱處理工藝的參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)