45钢热处理空冷过程分析

毕业设计45钢热处理空冷过程分析102018125谢淼杰机械工程系学生姓名： 学号： 系 部： 娄菊红 材料成型及控制工程专 业： 指导教师： 二一四 年 六 月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 45钢热处理空冷过程分析 系部： 机械工程系 专业： 材料成型与控制工程 学号：102018125学生： 谢淼杰 指导教师（含职称）：娄菊红（副教授）专业负责人： 赵跃文 1设计的主要任务及目标建立有限元模型，模拟45钢热处理空冷过程温度场分布；通过实验研究，分析热处理前后45钢组织和力学性能的变化，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2设计的基本要求和内容1）设计的基本要求：论文结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；论文格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。2）设计内容： 模拟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力学性能的变化；与45钢水淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 3主要参考文献1）ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004（05）2）钢件淬火过程温度场的数值模拟J.热加工工艺技术与材料研究，2008（11）3）ANSYS10.0热分析教程与实例解析4）45钢零件淬火过程温度场分布的数值模拟J.重庆大学学报，2003（03）5) 材料科学基础（铁碳合金相图与热处理部分）4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，了解软件，完成开题报告2014.01.10至2014.03.102阅读文献，深入学习软件，确定实验方案2014.03.10至2014.03.313进行模拟计算和试验，准备中期检查2014.04.01至2014.04.204完成模拟计算和试验及结果分析 2014.04.20至2014.05.155撰写毕业论文，准备答辩2014.05.15至2014.06.0545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 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, toughness 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, 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 normalizing 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 test, 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: normalizing 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, 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32II太原工业学院毕业设计1 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 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、曲轴、活塞销、工夹具等零件时，要求零件表面高硬度、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰表面淬火。经低温球化淬火后，可冷挤压成型零件，如球头销，推力杆等6。表1.1为45钢的化学成分，表1.2为45钢的力学性能，表1.3为45钢的其他性能。表1.1 45钢的化学成分元素C（%）Si（%）Mn（%）P（%）S（%）Ni（%）Cr（%）Cu（%）GB699-880.420.500.170.370.500.800.0350.0350.250.250.25表1.2 45钢的力学性能力学性能数值抗拉强度b(MPa)600屈服强度s(MPa)355伸长率 ()16断面收缩率 ()40冲击功 Akv (J)39 冲击韧性值kv (J/cm2)49硬度未热处理229HB;退火钢197HB 注 试样尺寸：试样尺寸为25mm .表1.3 45钢的其他性能密度（kg/m）熔点/临界温度/780014337247806827512 45钢热处理和力学性能试验2.1热处理的原理及应用领域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加工工艺。利用钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律，根据这些基本规律和要求来确定加热温度、保温时间和冷却介质等有关参数，以达到改善材料性能的目的1。热处理不仅可以改善材料的使用性能和工艺性能，而且还是提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命、降低成本、节约材料的重要手段。所以机械、交通、能源和航空航天等部门的大多数零部件和一些工程构件都需要通过热处理来提高产品质量和性能。 2.2正火热处理的目的 正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒，消除应力，消除魏氏组织和带状组织，为最终热处理提供合适的组织状态。正火还可以作为最终热处理，为某些受力较小，性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火作好组织准备。对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件，用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂。正火时用较快的冷却速度，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，可以细化晶粒，消除偏析，降低内应力。而且提高了硬度，消除内部组织缺陷，改善切削性能。对于含碳量在0.250.5的中碳钢，正火能细化晶粒，使组织均匀，同时硬度也不高，切削性能良好，与退火相比成本也较低，另外正火还有细化奥氏体晶粒，消除魏氏组织的作用。亦可消除网状渗碳体组织。 2.3正火热处理工艺设备箱式电阻炉、夹钳、金相砂纸、抛光布、金相试样抛光机、金刚石抛光膏和金相显微镜、洛氏硬度试验机、布氏硬度试验机、拉伸试验机、读数显微镜。2.4 热处理工艺方案2.4.1 45钢正火加热温度选择正火时的具体加热温度主要取决于钢的含碳量，45钢的含碳量为0.420.50%，属于亚共析钢。如图2.1所示，根据Fe-Fe3C铁碳合金相图，确定45钢加热温度范围为727912之间以上4060，本次实验采用的加热温度为840。图2.1 Fe-Fe3C铁碳合金相图2.4.2保温时间的确定正火加热时间实际上是将45钢试样加热到正火温度所需的时间及在正火温度停留所需时间的总和。加热时间与钢的成分、工件的形状尺寸、所用的加热介质、加热方法等因素有关，一般按经验公式加以估算。经验公式：加热温度为800C的圆柱形工件，保温时间为1.0分钟/每毫米。本次圆柱体试验高度为17mm，本次实验是将45钢加热到840C后保温15分钟。2.4.3冷却方式本次实验的冷却方式为出炉置于空气中自然冷却。表2.1热处理工艺方案热处理项目加热温度（）加热时间（h）冷却方式正火8400.25出炉冷却2.5 试验原理2.5.1 布氏硬度原理布氏硬度是900年由瑞典人提出来的。该试验的原理是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(N),将其压入试样表面，经过规定时间t(s)后卸除试验力，试样表面将残留压痕。测量压痕平均直径d(mm),求得压痕球形面积A(mm)。布氏硬度值（HB）就是试验力F除以压痕球形表面积A所得的商7。在实际应用时，布氏硬度一般不需要计算,而是通过专用刻度放大镜测出压痕的直径, 再查布氏硬度值表得出硬度值。硬度值的表示方法：一般布氏硬度值不标单位, 在符号HBS(HBW)之前的数字即为硬度数值,符号后面按顺序分别为测验条件、球体直径、 试验载荷力、载荷力保压时间8。2.5.2洛氏硬度试验原理洛氏硬度以一定形状的压头压入金属表面，测量压痕深度，以无量纲的深度表示材料的硬度值。洛氏硬度试验所用的压头有两种：一种是圆锥角=120的金刚石圆锥体，另一种是一定直径的小淬火钢球。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验F0在试验表面得一压痕，深度为，此时，测量压痕深度的指针在表盘上指零，然后加上主试验力 ,压头压入深度为,表盘上指针以逆时针方向转动到相应刻度位置。试样在作用下产生的总变形h中包括弹性变形与塑性变形，当将卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离（h-)。这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，而指针顺时针方向转动方向停止时所指的数值就是洛氏硬度值7。 2.5.3拉伸试验原理拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下确定材料特性的试验方法。通过拉伸试验所得到的数据可以确定材料的伸长率、弹性极限、比例极限、弹性模量、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度等其它拉伸性能指标。拉伸一般分为以下几个基本过程：(1)第一阶段为弹性阶段，试样变形为弹性变形，一旦取消外力，试样完全恢复原状，不会产生残余伸长。(2)第二阶段为屈服阶段，即试样屈服于外力产生较大塑性变形阶段。(3)第三阶段为强化阶段（均匀塑性变形阶段）。试样屈服变形阶段结束后，要使之继续变形，就要继续施加外力，克服试样内部不断增加的抗变形力。(4)第四阶段为局部塑性变形阶段。在前一阶段，试样的变形量越来越大，其强化能力也逐渐减小，由于其强化能力跟不上变形，终于在某个最薄弱处产生局部塑性变形，这时，该处横截面积显著收缩，载荷读数迅速下降，出现“缩颈”现象。2.5.4金相试验原理金相分析是研究工程材料内部组织结构的主要方法金相显微分析法：利用金相显微镜在专门制备的试样上观察材料的组织和缺陷的方法。金相试样的制备过程为：(1)磨制：将砂纸平铺在桌上，一手按住砂纸，另一手握住试样，使试样磨面朝下 在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并使试样的磨制方向调转90。磨制后用清水洗净。(2)抛光：将试样磨面均匀地、平整地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动。抛光时间不宜过长，磨面上磨痕消除而呈光亮的镜面后，停止抛光。抛光后用清水洗净。(3)腐蚀：将抛光好的试样磨面用4%硝酸酒精进行一定时间腐蚀，腐蚀后用酒精清洗腐蚀面，再用吹风机吹干腐蚀面及试样整体。(4)观察：用金相显微镜观察试样的显微组织分析各种相组分和组织组成物的特征 ，并拍照记录。2.6试验过程2.6.1材料处理前的力学性能测试(1)磨光，抛光试样表面，经腐蚀后观察金相组织拍照保存。(2)将试样用布氏硬度试验机和洛氏硬度试验机测试热处理前的硬度。2.6.2 材料的热处理(1)将试样放入箱式电阻炉中加热到840，保温15分钟。(2)将试样取出置于空气中冷却。2.6.3 材料处理后的力学性能测试(1)试样在布氏硬度试验机和洛氏硬度试验机上不同的三个部位打硬度，记下硬度值并求出平均值。(2)将拉伸试样用于拉伸试验，并记录数据。(3)将试样打磨、抛光、腐蚀，制作金相试样，观察金相组织并拍照记录。2.6.4 金相显微组织观察(1)打磨：将砂纸平铺在桌上，一手按住砂纸，另一手握住试样，使试样磨面朝下并与砂纸接触，在轻微压力作用下向前推行磨制。磨制以“单程单向”方式重复进行。在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并使试样的磨制方向调转90。磨制后用清水洗净。(2)抛光：将试样磨面均匀地、平整地压在旋转的抛光盘上，压力不宜过大。(3)腐蚀:将抛光好的试样磨面用4%硝酸酒精进行一定时间腐蚀，面呈暗灰色，停止腐蚀，然后用酒精洗净。(4)烘干：用吹风机吹干腐蚀面及试样整体。(5)显微摄影：用金相显微镜观察试样的显微组织分析各种相组分和组织组成物的特征，然后进行拍照。2.7结果与分析2.7.1 硬度（1）试验数据表2.2 布氏硬度值状态项目试验规范硬度值压头载荷（kgf）硬度类型第一次第二次第三次 平均值45钢未处理直径为10mm钢球3000HB16316717116745钢正火19519722420545钢水淬260263269264 表2.3 洛氏硬度值状态项目试验规范硬度值压头载荷（kgf）硬度类型第一次第二次第三次 平均值45钢未处理直径为1588mm钢球100HRB35.736.436.536.245钢正火直径为1588mm钢球100HRB32.134.735.134.045钢水淬120金刚石圆锥体150HRC26.727.427.026.9（2）数据分析45钢正火和水淬后的硬度值比较从表2.2看出，45钢正火的平均布氏硬度为205HB，45钢水淬后平均布氏硬度为264HB，相差59HB。通过数据可得出：45钢在相同温度相同保温时间下正火与水淬相比水淬热处理后材料的硬度相对更高，水淬对硬度的提升更好。45钢热处理前后硬度值变化从表2.3中，看出同种试样材料在未处理和在经历了840正火后，其洛氏硬度测试值是基本相同的。但此次实验中各个材料的具体测试值还是有一定差距的，在未处理前试样的硬度值最小差距为0.1HB，最大差距为0.8HB，热处理完成后，其硬度值差距变大，其差距最小为0.4HB，最大为3HB。分析其原因为测量误差和试验较少，出现个体差异。2.7.2 拉伸试验（1）试验数据表2.4 45钢未处理拉伸试验数据材料屈服载荷（N）最大载荷（N）拉断后的尺寸拉断后的尺寸45钢未处理3700054400D0（mm）L0（mm）D1（mm）L1（mm）10.0050.007.4074.00强度指标塑性指标屈服强度s(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率(%)断面收缩率(%)4706934845表2.5 45钢 840正火拉伸试验数据材料屈服载荷（N）最大载荷（N）拉断后的尺寸拉断后的尺寸45钢 840正火3620054600D0（mm）L0（mm）D1（mm）L1（mm）10.0050.007.2073.00强度指标塑性指标屈服强度s(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率(%)断面收缩率(%)4606594648表2.6 45钢 840水淬拉伸试验数据材料屈服载荷（N）最大载荷（N）拉断后的尺寸拉断后的尺寸45钢 840水淬5500062000D0（mm）L0（mm）D1（mm）L1（mm）10.0050.006.3071.00强度指标塑性指标屈服强度s(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率(%)断面收缩率(%)7007904259（2）数据分析45钢热处理前后力学性能变化通过表2.4和2.5可知，45钢未处理前屈服强度为470Mpa,抗拉强度为693Mpa，延伸率为48%,断面收缩率为45%。45钢正火处理后屈服强度是460Mpa,抗拉强度是695Mpa，延伸率是46%,断面收缩率是48%。通过比较发现，45钢正火后屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、延伸率都变化不大。所以说正火处理后对材料的强度指标和塑性指标并未增强，影响很小。45钢正火和水淬后力学性能变化通过表2.4和2.5可知，45钢正火后屈服强度为460MPa,抗拉强度为695MPa,延伸率为46%，断面收缩率为48%。45钢水淬后屈服强度为700MPa,抗拉强度为790MPa,延伸率为42%，断面收缩率为59%。比较所知，45钢相同温度相同保温时间下的正火与水淬热处理会使材料的强度指标和塑性指标都得到提高，尤其是强度指标（屈服强度和抗拉强度）变化较大。45钢水淬后相比正火屈服强度和抗拉强度改善更大，而塑性指标变化不大。2.7.3 金相组织试验（1）金相组织照片 图2.2 未处理金相组织 图2.3 840正火金相组织 图2.4 840水淬金相组织（2）结果分析45钢热处理前后金相组织比较45钢碳含量为0.45%，属于亚共析钢。试样在840时保温15分钟后经空气冷却后，如图2.1所示，先从奥氏体晶界析出先共析铁素体，然后奥氏体与铁素体的成分分别沿GS和GP线变化。到达PS线时，剩余奥氏体发生共析转变，形成珠光体，PS线以下，从铁素体中析出Fe3C，最后的组织为铁素体加珠光体。如图2.3所示，金相组织图片中黑色粒状为珠光体，白色为铁素体基体。对比未处理的试样与处理后的试样金相组织图片，原始试样中晶粒粗大且组织分布不均匀，热处理后可以看出珠光体晶粒变小，组织分布均匀化。达到了正火细化晶粒，均匀组织的目的。45钢正火和水淬后金相组织比较45钢为亚共析钢，在840水淬后室温组织为马氏体，从图2.4看出相比正火组织马氏体组织比较细，这是因为将45钢加热到840，奥氏体晶粒较细，并且融入了足够的碳，因此淬火后可以得到较细的马氏体组织。比较图2.3和图2.4，看出正火后的组织比较粗大而水淬后的组织相对较细一些。结合洛氏硬度试验水淬硬度更高，组织最细，综合性能也较好，3 ANSYS软件有限元分析3.1有限元分析简介有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。3.2 ANSYS简介ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物医学和教学研究等众多领域。系列是一套可自由选配集成的功能模块组成的产品，用户可根据需要集成某些、模块以满足各自行业的工程需求。如/是一款多物理场耦合的分析程序包，可以进行结构、热、流体流动、电磁等独立分析。/提供完整的结构、热、压电及声学分析功能9。3.2.1 ANSYS软件组成 软件主要有三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块有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10。3.2.2 ANSYS热分析简介1970年, John Swanson 博士创建ANSYS公司, 致力于设计分析软件的开发, ANS YS程序的第一个版本仅提供了热分析及线结构分析功能, 像当时的大多数程序一样, 它只是一个批处理程序,且只能在大型计算机上运行。70 年代初, ANSYS程序发生了很大变化, 非线性、子结构以及更多的单元类型被加入了程序。70年代末, 交互方式的加入是该程序最为显著的变化，它大大地简化了模型生成和结果评价 (前处理和后处理)。在进行分析之前, 可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件; 在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。今天该程序的功能更加强大, 使用更加便利。ANSYS作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功能, 热分析问题一直是ANSYS重要的应用领域.而且其界面友好, 易于掌握, 可以随心所欲地选择图形用户界面方式 ( G U I ) 或命令流方式进行计算, 同时具有强大的网格划分功能及强大的结果后处理功能11。3.3模拟方案的确定本试验采用ANSYS10.0有限元分析软件，45钢热处理空冷过程属于瞬态热传导问题。试验圆柱底面直径D=20mm，高h=14mm。由于该45钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，可以取圆柱的旋转面建立一个二维模型，使模拟过程得到简化。图3.1为45钢圆柱体纵截面，图3.2为模型截面。室温为20，将加热到840的45钢置于在室温下下空冷。在ANSYS模拟过程中所有单位均为国际单位。模拟方案如下：第一步：建立工作文件名和工作标题第二步：定义单元类型第三步：定义材料性能参数第四步：创建几何模型，划分网络第五步：加载求解第六步：查看求解结果图3.1圆柱体纵截面 （单位：mm) 图3.2 模型截面 （单位：mm)3.4材料及参数的选择表3.1显示的钢的比热容导率与温度关系。由于45钢的密度随温度的变化不大所以密度值取7800 （/kg*m2）。表3.1 45钢的比热容热导率与温度关系T/10020030040050060070080090048049852456061570085480663743.5340.4438.1336.0234.1631.9828.6626.4925.923.5求解步骤3.5.1建立工作文件夹名和工作标题（1）选择Utility Menu | File | Change Jobname 命令，出现Change Jobname对话框在/FINAMEnter new jobname文本框出入文件夹名45steel。（2）选择Utility Menu | File | Change Title命令，出现Change Title对话框，在文本框中输入45steel。3.5.2 定义单元类型选择Main Menu | Preprocesor | Element Type | Add/Edit/Delete命令,在弹出对话框中选择Thermal Solid和Quad 4node 55,如图3.3所示，点击OK后在单元增添对话框中，选择PLANE55单元，然后点击Options。在对话框中的K3中选择Axisymmetric。图3.3 Library of Element Types对话框3.5.3定义材料性能参数（1）选择Main Menu | Preprocesor | Material Props | Temperature Units，在Specify Temperature Units对话框中选择Celsius，表明以摄氏零度作为温度起点。（2）选择Main Menu | Preprocesor | Material Props | Material models命令,出现 Define Material Behavior对话框。在Material Models Available 列表框中依次选择Thermal | Conductivity | Isotropic选项，出现Conductivity for Material Number 1对话框，单击Add Temperature在文本框中依次输入900至100时45钢的材料导热系数。点击Graph,材料热导率随温度变化曲线如图3.4所示。图3.4 材料热导率随温度变化曲线图3.4 材料比热率随温度变化曲线图3.5 材料比热率随温度变化曲线（3）选择Define Material Model Behavior 对话框中的Specific Heat选项，在文本框中依次输入900至100时45钢的材料比热。点击Graph,材料比热率随温度变化曲线如图3.5所示。（4）选择Define Material Model Behavior 对话框中的Densiy选项，在文本框中输入45钢的密度7800。3.5.4创建几何模型、划分网格(1)选择 Main Menu | Preprocesor | Modeling | Creat | Areas | Rectangle | By Dimensions 命令，出现对话框，如图3.6所示对其进行设置。图 3.6Create Rectangle by Dimensions对话框图3.7 网络划分（2）选择Main Menu | Preprocesor | Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | All Lines命令，出现Element Size on All Selected Lines菜单，在NDIV文本框中输入单元个数20。 （3）选择Main Menu | Preprocesor | Meshing | Mesh | Areas | Free出现 Mesh Areas对话框，选择Picked All，单击ok按钮关闭该对话框。显示窗口显示网络划分结果，如图3.7所示。3.5.5加载求解（1）设置分析类型：选择Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis命令,在弹出的New Analysis对话框中选择分析类型为Transient，单击OK按钮，在弹出的Transient Analysis对话框中选中Full单选框。（2）设置初始温度：选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Initial Conditn | Define命令，在弹出的对话框中，单击Pick All按钮,弹出Define Initial Conditions对话框。选择自由度为TEMP，并设置初始温度为840。（3） 施加外边界条件：选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines命令，弹出线拾取对话框，选中模型的外部边界后，弹出Apply CONVC on Lines对话框，在其中VALI Film coefficient一栏中输入空气对流传热系数20，在 Bulk temperature栏中输入冷却温度为20，如图3.8所示。（4）设置时间和载荷步：选择Main Menu | Solution | Load Step Opts | Time/Frequenc | Time-Time Setup命令，弹出Time and Time Step Options对话框，在Time一栏中输入分析的最终时间3600，在时间步长一栏中输入步长时间1；在加载方式单选按钮中选择Stepped，在DELTIM栏输入1，在Maximum time step size栏输入5。（5）设置结果输出项：选择Main Menu | Solution | Load Step Opts | Output Ctrls | DB/Results Files命令，弹出Controls for Database and Results File对话框。在FREQ File write frequency栏中选择Every Substep。（6）求解：选择Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，单击OK按钮，求解开始。求解完毕后会弹出提示对话框。图3.8 Apply CONVC on Lines对话框3.5.6 查看温度分布图（1) 选择Main Menu | General Postproc | Read Results | By Pick命令选择第900秒的计算结果。在Results Files对话框中，选择时间为900，单击Read按钮，单击Close关闭对话框。（2）选择Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solution命令，在弹出的Contour Nodal Solution Data对话框中，选择DOF Solution | Nodal Temperature，单击OK，得到第900秒