1、合金钢热处理水冷过程分析摘要：合金钢是机械生产中常用的材料之一，改善合金钢热处理工艺具有重大意义。本次设计以40Cr钢为研究对象，对40Cr钢进行试验研究，测定热处理前后材料硬度、塑韧性 ，分析热处理前后材料组织和力学性能的改变，并进行材料的金相组织分析。另外利用ANSYS有限元分析软件进行模拟，通过建立有限元模型，模拟40Cr钢热处理水冷过程温度场随时间的变化，同样分析热处理前后组织和力学性能的变化，与40Cr钢油淬后的组织和力学性能进行比较。结果表明：采用油冷时，40Cr钢具有较高的硬度，也具有更好的塑韧性。关键词：组织和力学性能，热处理，金相组织,ANSYS模拟Water-cooled
2、alloy steel heat treatment process analysis Abstract: Alloy Steel is one of the machinery used in the production of materials, 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 tou
3、ghness after heat treatment, analysis of changes 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, through the establishment of the finite element model to sim
4、ulate the process of 40Cr steel water-cooled heat treatment temperature field changes over time, the same analysis before and after heat treatment on microstructure and mechanical properties, with the 40Cr steel oil quenched microstructure and mechanical compare the performance. The results showed t
5、hat: the use of oil cooling, 40Cr steel with high hardness, but also has better plasticity and toughness.Keywords: Microstructure and Mechanical Properties,Heat Treatment, Microstructure, ANSYS simulation目 录1前言11.1研究的目的和意义11.2要解决的问题和拟采用的手段21.3研究概况31.3.1我国热处理技术的发展史31.3.2国内外金属热处理技术概况31.3.3我国热处理计算机模拟的发
6、展42 ANSYS模拟试验52.1 ANSYS软件的介绍52.1.1概述52.1.2 ANSYS特点及应用领域52.2模拟方案的确定62.3试验内容62.3.1建立工作文件名和工作标题62.3.2定义单元类型72.3.3定义材料性能参数72.3.4创建几何模型82.3.5加载求解102.3.6查看求解结果132.4模拟结果的分析173 热处理实验183.1 40Cr钢实验前分析183.1.1 40Cr钢的简介183.1.2 40Cr钢的化学成分183.1.3 40Cr热处理工艺特性介绍183.1.4 40Cr热处理方案193.2热处理实验内容193.2.1实验仪器及目的193.2.2淬火工艺1
7、93.3 硬度测量193.3.1硬度概况203.3.2布氏硬度试验213.3.3洛氏硬度试验223.4 40Cr热处理金相组织分析233.5 40Cr拉伸试验243.5.1拉伸试验介绍243.5.2拉伸试验内容253.6 40Cr水淬前后拉伸性能的比较263.7 40Cr水淬与油淬结果的比较263.7.1 40Cr油淬与水淬后洛氏硬度的比较263.7.2 40Cr水冷与油冷后的拉伸性能比较27总结27参考文献29致谢301前言1.1研究的目的和意义工业用钢是建设生产中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有重要的地位。工业用钢的碳素钢，由于价格低廉，便于冶炼，用以加工，且通过含碳量
8、的增减和不同的热处理可使其性能得到改善，因此能满足很多次生产上的需要，至今仍是应用最广泛的钢铁材料1。但是随着现代科学技术的发展，对钢铁的性能提出了越来越高的要求，即使采用各种强化途径，如热处理、塑性变形等，碳钢的性能在很多方面仍然不能满足要求。现代工业的发展对钢材提出了许多特性能要求，例如化工部门要求钢材具有耐酸不锈性能，仪表工业要求材料具有特殊的电磁性能，汽车制造部门则要求钢材具有良好的高温强度等，这些特殊的物理化学性能只有采用合金钢才能满足2。在铁碳的基础上加入一种或几种合金元素，使其性能和工艺性能得以提高的以铁为基础的合金即为合金钢。合金钢一直从19世纪沿用至今，其在工业发展中的重要性
9、是巨大的。40Cr是常用的合金钢之一，由于其综合性能较好，具有很高的强度，良好的塑韧性，即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3。热处理是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，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部结构，以改善其性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺有退火 、正火、淬火和回火。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热
10、处理工艺又可分为预备热处理和最终热处理。合金钢热处理及水冷过程温度场分布要考虑热分析，而热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。在实际生产中，常常会遇到各种各样的热量传递问题，包括热传递、热流密度、热应力等这些参数的确定。目前常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法离散单元法和有限差分法，其中有限元法是应用最广泛的。ANSYS软件就是以有限元法为载体的。ANSYS软件的热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及与热有关的耦合场分析4。淬火冷却过程属于热分析中的瞬态分析。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中材料性能参数的变化，特别适用
11、于钢件淬火过程温度场的准确计算，通过利ANSYS有限元分析软件对几何外形简单的40Cr零件水淬过程温度场进行有限元模拟，得到了零件温度随水冷时间的分布关系。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。在淬火过程中，零件各部分在冷却过程中温度分布和组织转变是不均匀的，最终在零件内部形成热应力和相变应力，直接影响零件的机械性能和使用寿命，甚至在使用过程中产生变形和开裂6。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。淬火过程温度分布的传统方法是依靠试验
12、测定和经验判断，不能准确分析和预测淬火过程的温度场。计算机模拟可将热处理过程动态的模拟出来。ANSYS软件具有强大的分析功能，特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模，可快速准速地获得钢件淬火过程降温历程、温度分布。此次设计研究首先从知识上我们掌握了合金钢水冷的过程分析的相关知识，包括合金钢水冷组织性能的变化以及有限元分析软件的使用，软件中各种曲线图的解析，同时也巩固了以前学过的课本的相关专业知识；其次此次设计研究意义很大，从中锻炼了自己解决问题的能力，使自己的综合能力得到了提升。1.2要解决的问题和拟采用的手段本课题要研究的问题和拟采用的手段有对40Cr钢的分类编号，材料性能等进行了解，可以通
13、过查阅金属学与热处理相关书籍来了解40Cr钢材料的相关内容；对ANSYS软件进行学习来模拟合金钢热处理水冷过程中温度场随时间的变化关系，通过ANSYS软件建立有限元模型来模拟合金钢热处理水冷过程中温度场的分布，并观察它随时间变化的关系，从而得出结果；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的变化，可以通过在热处理试验前对40Cr材料的布氏硬度进行测量，包括冲击试样和拉伸试样的硬度测量，并且对拉伸试样做拉伸试验，然后对拉伸试样和冲击试样进行热处理，热处理包括对拉伸和冲击试样的尺寸、加热温度、保温时间以及冷却方式的确定，这些可以通过查阅文献和相关公式来确定，热处理试验做完后同样对其热处理后的拉伸试样做拉
14、伸试验，得出试验结果，测定热处理后试样的组织与力学性能并与热处理前试样的组织及力学性能做比较，记录试验前后组织及力学性能的变化；与合金钢油淬后的组织及力学性能做比较，可以根据以上同样的方法，测定合金钢油淬试验前后的组织及力学性能的变化，记录下数据通过比较得出结论。1.3研究概况1.3.1我国热处理技术的发展史我国热处理企业起源于50年代初，其中机械制造厂都设有热处理工段和车间，期间购买了大批苏制热处理设备，并相应建立了第一批按苏联图样生产设备的电炉厂。一些高等工科学校经过院系调整后，创建了包括在机械制造工艺系中的热处理专业，于1951-1956年培养出了第一批专科和本科热处理专业的毕业生。50
15、年代末和60年代初从前苏联学习归来一批热处理专业的留学生，还陆续建立了一些科研机构和大专院校，基本上能按照材料和应用科学进展的步伐开展热处理基础核心技术的研究和开发、涌现出一批科研成果，从人才培养、研究与开发、生产技术的革新和设备制造等方面初步形成了一个完整的专业体系。但是由于科研和生产应用的脱节，对革新生产设备的忽视以及长期闭关锁国造成的目光短浅，60、70年代的热处理生产技术没有明显的进步，直到80年代改革开放以后，引进了先进的技术和设备，一些大型骨干企业的热处理生产技术才有了明显改观。1.3.2国内外金属热处理技术概况随着科学技术和工业的迅速发展，以及能源与材料资源的危机，要求材料科学解决发挥材料的潜力并发展新材料，以及提高材料的性能，对于金属热处理技术的要求也随之提高。金属热处理技术在机械制造领域里更显示出它的重要地位。近年来国内外热处理技术的发展都是很快的。据估计,世界上钢的产量的增长与钢的热处理量的增长,1970到2000年分别为2.9倍(6亿吨到17.5亿吨)及9倍(0.62亿吨到5.6亿吨),即钢的热处理量的增长为钢产量增长的3倍。按工业化国家钢的热处理量以人口平均计,1975年为77公斤/人年,到2000年为344公斤/人年。我国
