1、45钢热处理空冷过程分析摘要：45钢是一种十分常见及用量非常高的金属材料，硬度较低，强度较高，塑性和韧性好，切削加工性能较好，综合机械性能比较好。通过适当的热处理以后可改变钢的内部组织结构，具有一定塑性、韧性和耐磨性。45钢常用来做用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。通过ANSYS有限元分析软件来模拟45钢热处理空冷过程中温度场随时间的变化关系，ANSYS结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适合钢件正火过程温度场的准确计算。模拟得到试件温度随正火时间的分布关系图。对45钢圆柱试样、冲击试
2、样、拉伸试样进行热处理完成金相组织观察、拉伸试验、硬度测试试验，记录数据并比较结果；比较45钢热处理前后组织及力学性能的变化和与45钢水淬后的组织和力学性能的比较，通过实验结果表明：正火由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中珠光体量相对比较多，而且片层较细密，细化了晶粒，使碳化物分布均匀化，所以组织和性能有所改善，同时消除了材料残余应力。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度。关键词： 45钢，正火，ANSYS模拟，温度场45 steel heat treatment process of air cooling analysisAbstract：45 steel
3、is a very common and very high amount of metal materials, low hardness, high strength, good ductility and toughness, better cutting performance, better mechanical properties. After an appropriate heat treatment by changing the internal organizational structure of steel, has a certain plasticity, tou
4、ghness and wear resistance. 45 for the production of steel commonly used to bear a greater load quenched small section of the large pieces of normalizing and stress smaller parts, as well as the strength of the core part of the surface hardening less demanding parts such as crankshafts, drive shafts
5、, gears, worm , keys, pins, etc.By ANSYS finite element analysis software to simulate the process of air-cooled heat treated steel 45 with variation of temperature field time, ANSYS combination of process variable temperature change material thermal parameters of materials, especially for steel norm
6、alizing process to accurately calculate the temperature field. Simulated specimen temperature distribution over time normalizing relationship diagram. 45 steel cylindrical specimens, impact specimens, tensile specimens subjected to heat treatment to complete the microstructure observation,tensile te
7、st, hardness test trials, the recorded data and compare the results; 45 before and after heat treatment of steel microstructure and mechanical properties of changes in microstructure and mechanical properties and compare 45 steel after quenching and, through experimental results showed that: normali
8、zing the cooling slightly faster, compared with annealed structure, the amount of pearlite is relatively more, and slice than the fine, fine of the grain, so that uniform distribution of carbides, so the organization and improved performance, while eliminating the residual stress. Low carbon steel,
9、the hardness can be improved after normalizing improve machinability, improved part surface finish.Keywords: 45 steel,normalizing,ANSYS simulation, temperature field目 录1 前 言11.1研究的目的与意义11.2 研究现状11.3 研究的主要内容及方法21.4 45钢的性质22 45钢热处理和力学性能试验42.1热处理的原理及应用领域42.2正火热处理的目的42.3正火热处理工艺设备42.4 热处理工艺方案52.4.1 45钢正火
10、加热温度选择52.4.2保温时间的确定52.4.3冷却方式62.5 试验原理62.5.1 布氏硬度原理62.5.2洛氏硬度试验原理62.5.3拉伸试验原理72.5.4金相试验原理72.6试验过程82.6.1材料处理前的力学性能测试82.6.2 材料的热处理82.6.3 材料处理后的力学性能测试82.6.4 金相显微组织观察82.7结果与分析92.7.1 硬度92.7.2 拉伸试验102.7.3 金相组织试验133 ANSYS软件有限元分析153.1有限元分析简介153.2 ANSYS简介153.2.1 ANSYS软件组成153.2.2 ANSYS热分析简介163.3模拟方案的确定163.4材料
11、及参数的选择173.5求解步骤173.5.1建立工作文件夹名和工作标题173.5.2 定义单元类型183.5.3定义材料性能参数183.5.4创建几何模型、划分网格203.5.5加载求解213.5.6 查看温度分布图223.5.7 获取关键点温度随时间变化的曲线图243.6 数值模拟结果与讨论283.6.1 45钢圆柱旋转面的温度分布图分析283.6.2 温度随时间变化的曲线图分析29结 论30参考文献31致 谢32I1 前 言1.1研究的目的与意义45钢是常用中碳调质结构钢。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和
12、耐磨性，材料来源方便。为了使45钢具有所需的力学性能、物理性能和化学性能，除了合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，以一定的速度冷却到室温，能改变钢的内部组织结构，以改善其性能。通过适当的热处理可以显著钢的力学性能，延长机器零件的使用寿命1。热分析是广泛应用于各领域的一种分析工具, 作为有限元分析软件在热分析方面具有强大的功能。热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。定义中的程序控制温度是指按某种规律加热或冷却, 通常是线性升温和线性降温。在实际生产过程中,常常会遇到各种各样的热量传递问题: 如
13、计算某个系统或部件的温度分布、热量的获取或损失、热梯度、热流密度、热应力、相变等等2。利用软件的热分析模块对45钢件正火过程进行建模、分网、加载及求解,得到了钢件正火不同时刻的温度场、在某一时刻沿钢件内壁温度分布,以及钢件上所选特点的温度分布3。有限元软件在温度场的模拟过程中, 很好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化,特别适用于钢件正火过程温度场的准确计算。通过利用有限元分析软件对45钢零件正火过程温度场进行有限元模拟,得到了零件温度随正火时间的分布关系。模拟结果与实际过程一致, 且运算速度较快, 适用于正火工艺的优化, 并为精确计算正火过程中的热应力、残余应力做好了准备工作4。1.2
14、研究现状热处理是机械工业的一项重要基础技术通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理而且只要选材合适热处理得当就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍。热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力、提高产品的内在质量、节约材料、减少能耗、延长产品的使用寿命和提高经济效益都具有十分重要的意义。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面与工业发达国家的差距不大但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面5。1.3 研究的主要内容及方法模
15、拟45钢热处理空冷过程中温度场随时间的变化关系；研究45钢热处理前后组织及性能的变化；与45钢水淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。拟采用的研究手段：对于模拟45钢热处理空冷过程中温度场随时间的变化关系可以通过ANSYS有限元分析软件来分析解决；利用软件的热分析模块对45钢件正火过程进行建模、分网、加载及求解,得到了钢件正火不同时刻的温度场、在某一时刻沿钢件内壁温度分布,以及钢件上所选特点的温度分布。对45钢试样进行热处理完成金相组织观察，完成拉伸实验、硬度测试实验，记录数据得出结论并比较结果；通过试验研究处理分析的手段来研究45钢热处理前后组织及力学性能的变化；与45钢水淬后的组织和力学性能的比较，并通过数据和分析得出结论。1.4 45钢的性质45钢是机械制造中广泛应用的中碳优质碳素结构钢。因淬透性差，一般以正火或调质状态使用，机械性能要求较高时，采用调质处理。冷变形塑性中等，退火和正火的切削加工性比调质的好。45钢具有良好的机械学加工性能，而焊接性能一般，经调质成索氏体时，具有高的强度和塑性，且有一定的韧性。但热处理时，淬透性差，水淬变形大，裂纹倾向敏感，尤以40左右水淬时更为明显。45钢制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴
