1、合金钢热处理加热过程对组织和性能的影响 摘要：利用有限元分析软件ANSYS模拟40Cr钢热处理过程温度场与时间的变化关系。根据温度场的分布，合理的选择不同的加热温度和保温时间做热处理水淬实验，并打磨式样，通过金相组织观察比较不同热处理工艺对40Cr钢内部组织结构的影响。并结合冲击韧性试验、硬度试验及拉伸试验来获取40Cr钢的机械性能、物理性能、工艺性能等，从而通过热处理工艺改变金属表面或内部组织结构，达到优化金属性能的目的。通过实验表明，40Cr在850保温时间20min热处理所到的钢的性能最佳，其组织为回火索氏体，其强度、硬度及韧性等综合性能都处于较好的状态。过低的温度会导致淬火不均匀，有铁
2、素体存在也会使硬度降低；温度过高又会使回火索氏体粗大，造成钢的综合性能降低。保温时间对组织性能也有影响，保温时间太短，回火索氏体的晶粒小，组织不均匀；保温时间太长，晶粒粗大，影响组织性能。关键词：ANSYS软件，合金钢，温度场模拟，加热过程Alloy steel heating process of the heat treatment influence on organization and performanceAbstract:Through the finite element analysis software ANSYS simulation of 40 Cr steel hea
3、t treatment process the changes of temperature and time. According to the distribution of temperature field, the reasonable choice of different heating temperature and holding time for water quenching test, heat treatment and grinding style, by observation of microstructure of 40 Cr steel of differe
4、nt heat treatment process are the influence of the internal organization structure. Combining with the experiments of impact toughness, hardness test and tensile test for 40 Cr steel mechanical properties, physical properties, process performance, etc., thus changing the metal surface by heat treatm
5、ent process or internal organizational structure, to optimize the performance of metal.Experiments show that 40 Cr 20 min heat treatment at 850 heat preservation time to the optimum properties of steel, its organization is tempered sorbite, its comprehensive performance such as strength, hardness an
6、d toughness is in good condition. Too low will cause uneven quenching temperature, presence of ferrite will also lower the hardness, high temperature and can make the tempering sorbite bulky, which reduces the comprehensive performance of steel. Also have an impact on the performance of organization
7、, time of heat preservation heat preservation time is too short, tempered sorbite of small grains, organization is not uniform, the holding time is too long, coarse grains, affect organizational performance. Keywords:ANSYS software,Alloy steel,Temperature field simulation,Heating process目 录1 前言12 AN
8、SYS热分析32.1 ANSYS软件介绍32.1.1热分析的基本符号及单位32.1.2热分析的目的52.2 实验求解62.2.1 建模方案62.2.2 操作过程62.3 结果分析72.3.1 各时间点的温度场分布72.3.2 各点随温度的变化102.4 本章小结123 40Cr钢的热处理参数的确定133.1 合金钢的分类与编号133.1.1合金钢的分类133.1.2合金钢编号方法143.2 40Cr钢的化学成分及组织性能143.2.1 40Cr钢的化学成分及各合金元素对钢的作用143.2.2 40Cr钢的组织性能153.3 40Cr钢热处理163.3.1加热温度的确定163.3.2 回火温度的
9、确定163.3.3保温时间的确定173.4 本章小结194 40Cr钢热处理后的组织与性能194.1 热处理实验214.2 实验设备214.3 实验材料20II4.4 实验步骤214.5 结果与分析214.5.1 金相组织224.5.2 硬度试验254.5.3 拉伸试验274.6 本章小结28结论29参考文献31致谢321 前言合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材是在19世纪后半期。20世纪20年代以后，由于电弧炉炼钢法被推广使用，为合金钢的大量生产创造了有利条件。第二次世界大战以后至60年代，主要是发展高强度钢和超高强度钢的时代，由于航空工业和火箭技术发展的需求，出现了许多高
10、强度钢和超高强度钢新钢种。60年代以后，许多冶金新技术，特别是炉外精炼技术被普遍采用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展，又出现了马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢等新钢种。合金钢一直从19世纪沿用至今，其在工业发展中的重要性是巨大的。40Cr钢是常用的合金钢之一，具有很高的强度，良好的塑性和韧性，既具有良好的综合机械性能；可用来制造汽车的连杆、螺栓、传动轴及机床的主轴等零件1。但是在实际的生产应用中，人们对合金钢提出了各种不同的性能要求，单凭原始材料的性能已经满足不了工程技术上的要求。例如：为了便于切削加工就要求材料的硬度适当降低，以节约机械加时的刀具消耗和提高劳动生产率；为使零件减少
11、磨损，延长使用寿命，就要求其较高的硬度等。为满足这些性能要求，除了合理的选用材料外，还要进行热处理，这样才能充分发挥合金钢的性能特点。由此可见，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位2。 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类3。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热
12、处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。ANSYS有限元分析软件可以模拟合金钢加热过程温度场与时间的变化关系。在ANSYS有限元分析软件在热分析过程中，很好地结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算4。通过利用ANSYS有限元分析软件对几何外形复杂的40Cr钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到了零件温度随淬火时间的分布关系，模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程中的热应力，残余应力做好了准备工作5。本文采
13、用有限元分析法和实验操作相结合的方法，利用ANSYS软件对40Cr钢热处理加热过程的温度场进行模拟，分析工件在不同时间的温度分布情况以及各个部分在热处理加热过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件热处理后获得优良的性能提供一定的依据。2 ANSYS热分析2.1 ANSYS软件介绍ANSYS公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创立并发展起来的，总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡，是目前世界CAE行业中最大的公司。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造
14、、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：热-结构耦合、磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合，在PC机上生成的模型同样可运行与巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解6。ANSYS10.0热分析基于能力守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各个节点温度，从而导出其他物理参数。ANSYS10.0热分析分类主要有两大类即稳态
15、传热和瞬态传热。稳态热分析是温度分布不随时间变化，而瞬态热分析是温度分布场随时间发生明显的变化。无论是稳态热分析还是瞬态热分析，均可将ANSYS10.0热分析分为3个步骤：（1）前处理：建模。（2）求解：施加载荷计算结果。（3）后处理：查看结果。2.1.1热分析的基本符号及单位ANSYS软件使用时单位必须统一，如果单位不统一，最后的分析结果就千差万别，给研究带来不必要的麻烦7。具体的基本单位如表2.1所示。 表2.1 热分析基本单位项目国际单位英制单位ANASYS代号长度mft时间sS质量Kg1bm温度力N1bf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/sec热流密度W/mBTU/sec-ft生热速率W/mBTU/sec-ft导热系数W/m-BTU/sec-ft
