1、20钢圆柱体油淬过程温度场模拟摘要：现代工业生产中，对20钢热处理前后组织和性能进行分析，20钢的性能强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。通过计算机进行有限元分析，对20钢圆柱体的加热过程建立各个时间温度场分布图，再对其油淬过程建立各个时间的温度分布图，并对20钢圆柱体上特殊点做出温度随时间变化的曲线图，
2、结果表明，20钢热处理中，加热过程与油淬过程温度场都先由外向内变化，加热过程温度由外向内逐层增高，油淬过程温度由外向内逐渐降低，最后达到加热温度和油淬用淬火油的温度。关键词：20钢，有限元分析，热处理，温度场Simulation of 20 steel cylinder oil quenching temperature fieldAbstract：In modern industrial production.20 steel microstructure and properties before and after heat treatment were analyzed, modern
3、 industrial production, the performance of 20 steel strength steel is slightly higher than the 15th, with little quenching, no temper brittleness. Cold deformation on the crack-prone plastic high, usually for bending, welding performance rolling, curved edges and hammer arch processing, and exposure
4、 to welding arc when welding thin, form-critical or complex shape parts. Machinability cold drawn annealed or normalized state than the good, generally used in the manufacture discontinuity large and toughness requirements. The high-quality low-carbon steel is carbon steel, cold extrusion, carburizi
5、ng hardened steel. The steel low intensity, toughness, ductility and weldability are good.The finite element analysis by computer, the heating process on the 20 steel cylinder to establish distribution at different time temperature field, the temperature distribution of the oil quenching process set
6、 up each time, the graph and the special points on the 20 steel cylinder with time change temperature, the results show, the 20 steel heat treatment, change the temperature field and oil quenching are from outer to inner heating, temperature of the heating process by the outside layer to increase th
7、e oil quenching process, the temperature decreases gradually from outside to inside, and finally achieve the heating temperature and oil quenching temperature.Keywords: steel 20, finite element analysis,heat treatment，temperature field目 录1 绪论11.1研究目的和意义11.2研究的现状12 ANSYS软件42.1 ANSYS简介42.2 ANSYS软件组成43
8、 数值模拟过程83.1 模拟方案的确定83.2加热过程83.2.1模拟过程中用到的参数83.2.2构建数学模型93.2.3网格划分113.2.4施加载荷与求解133.2.5后处理183.3油淬过程183.3.1模拟过程中用到的参数183.3.2油淬过程构建数学模型及网格划分193.3.3施加载荷与求解193.3.4后处理224数值模拟的结果和分析244.1加热过程244.1.1不同时刻的温度场分布244.1.2特殊点温度随时间的变化294.2 油淬过程314.2.1不同时刻的温度场分布314.2.2特殊点温度随时间变化34结论38参考文献39致谢40I1 绪论1.1研究目的和意义淬火是实现工件
9、组织结构优化的一个重要手段，也是机械行业的一项重要基础技术，它对于提高和控制材料的性能，充分发挥材料的性能潜力，节省原材料，减少能耗，提高产品的可靠性，延长其使用寿命，并提高生产单位的经济效益等都具有十分重要的意义1。实际钢铁件在冷却过程中发生由奥氏体向马氏体或珠光体的转变, 由于工件结构和淬透性的不同, 各层发生转变的温度和形成的组织是不同的2。因为转变后形成的组织的复杂性, 一些计算所需要的材料参量和边界条件难于选择和测定。实际工件尺寸往往很大, 所建模型的正确性难于验证。但随着计算机技术的迅速发展，淬火过程的计算机模拟越来越受到人们的重视，已成为当今淬火过程研究和淬火工艺设计中不可必少的
10、重要方法。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。我们用有限元软件ANSYS模拟计算20钢圆柱体油淬过程中三维温度场的变化。建立轴对称有限元模型，模拟计算20钢热处理加热及油淬过程温度场分布，从而确定加热保温时间；分析热处理前后20钢组织与力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。1.2研究的现状20钢是一种优质碳素结构钢，化学成分为碳 C ：0.17%0.24%，硅 Si：0.17%0.37%，锰 Mn：0.35%0.65%，硫 S ：0.035%，磷 P ：0.035%
11、，铬 Cr：0.25%，镍 Ni：0.25%，铜 Cu：0.25%。20钢的淬火温度一般在铁碳相图Ac3以上30摄氏度到50摄氏度之间。强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355500MPa，伸长率24%。正火可促进该钢球化，细化大块状先共析铁素体，改进小于160HBS毛坯的切削性能。该钢模具零
12、件工艺路线为：下料锻造模坯退火机械粗加工冷挤压成型再结晶退火机械精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。参考对应钢号 我国GB/JB的标准钢号是20、我国台湾CNS标准钢号S20C、德国DIN标准材料编号1.0402、德国DIN标准钢号CK22/C22、英国BS标准钢号IC22、法国AFNOR标准钢号CC20、法国NF标准钢号C22、意大利UNI标准钢号C20/C21、比利时NBN标准钢号C25-1、瑞典SS标准钢号1450、西班牙UNE标准钢号F.112、美国AISI/SAE标准钢号1020、日本JIS标准钢号S20C/S22C3。 普通淬火温度选择在AC3 +3050 ，而对于20钢，属于低碳钢
13、，淬火后不容易得到马氏体组织，所以淬火加热温度可选择AC3 +4070 ，较高的温度可增加钢的淬透性，但同时会降低韧性、增大变形。如果采用表面淬火， 由于AC1、AC3等的临界点均随着加热速度的增大而增高：又由于感应加热没有保温时间，要完成奥氏体中碳浓度的均匀化，只有依靠升高温度，因此淬火温度比已经提高了的温度还要高（AC3 +70100)。这样形成的奥氏体晶粒更加细小。感应加热不适用于高硬度、高耐磨和高的接触疲劳强度的零件，也不适用于工模具零件4。本文对20钢的加热和淬火为研究对象，利用ANSYS软件建立轴对称有限元模型，模拟计算20钢热处理加热及油淬过程温度场分布，从而确定加热保温时间；分
14、析热处理前后20钢组织与力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。具体要模拟的是20钢加热过程某些时刻的温度场分布及圆柱体上特殊点的温度随时间的变化关系；模拟20钢油淬过程某些时刻的温度场分布及圆柱体上特殊点的温度随时间的变化关系。20钢在热处理后组织发生的变化，首先在加热过程中，由于20钢属于亚共析钢，且设置的加热温度在AC3以上，所以20钢的组织由珠光体和先共析铁素体完全转变为全奥氏体组织，且分布较均匀。在加热后，用油淬的方式对20钢进行淬火，目的是为了得到马氏体组织，由于用油淬虽然冷却速度小于水，但也可大大减小淬火钢件的变形、开裂倾向，20钢碳含量小于0.5，热处理
15、后得到的组织主要为板条状马氏体，这种组织具有较高的强度，良好的塑性和韧性。2 ANSYS软件2.1 ANSYS简介 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一57。2.2 ANSYS软件组成软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出57。（1） 前处理模块PREP7双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体
