毕业设计（论文）-T12钢热处理过程温度场的数值模拟.doc

毕业设计T12钢热处理过程温度场的数值模拟学生姓名： 黄增鑫 学号： 112018214 系 部： 机械工程系 专 业： 材料成型及控制工程 指导教师： 娄菊红 二一五 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： T12钢热处理过程温度场的数值模拟 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 1120182 14 学生： 黄增鑫 指导教师（含职称）： 娄菊红（副教授）1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解T12钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉T12钢的热处理工艺方法；熟悉ANSYS软件；掌握ANSYS软件计算热处理过程温度场的方法，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2主要任务（1）制定T12钢热处理工艺。（2）模拟计算热处理加热过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。（3）模拟计算热处理冷却过程某些时刻温度场的分布及某些特定位置温度随时间的变化关系。（4）分析热处理过程温度场分布对T12钢组织和力学性能的影响。（5）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1 刘旭麟，高路斯，刘顺华，等.T8钢淬火热处理组织的计算机模拟研究J. 热加工工艺，2006，35（6）：44-46.2 张建峰，王翠玲，吴玉萍，等. ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用J.冶金能源，2004，（05）：9-13.3 朱圆圆，祁文军，易挺，等. 钢件淬火过程温度场的数值模拟J. 新技术新工艺，2008，（11）：97-99.4 崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理M. 北京，机械工业出版社，2007：230-3084进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1阅读文献，了解研究目的意义制定热处理工艺 3月 3日3月23日2软件学习，完成加热过程温度场计算 3月24日4月13日3完成冷却过程温度场计算 4月14日5月 4日4进行结果分析5月 5日6月 1日5完成撰写及答辩工作 6月 2日6月22日审核人： 赵跃文 2015 年 1 月 16 日T12钢热处理过程温度场的数值模拟摘 要：本文采用ANSYS有限元软件，建立了T12钢有限元模型，对T12钢热处理过程的二维轴对称温度场进行了分析计算，得到了T12钢热处理过程不同时刻的温度场分布和钢件上所选特定点温度分布。结果表明温度场的计算机模拟可以快速准确的获得任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。尽管本文对相变潜热忽略和数值计算模型本身就有的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但模拟出来的温度场变化规律是合理的。关键词：T12钢，热处理，温度场，有限元模拟Numerical Simulation of Temperature Field in Heat Treatment Process of T12 SteelAbstract：In this paper, field element model are built and two dimensional axis-symmetric temperature field in the process of heat treatment of T12 Steel is simulated with finite element software of ANSYS. The temperature field at different moments and temperature distribution of selected special points are obtained. The simulation results show that the change of temperature over time of internal position of the T12 steel can quickly and accurately obtain. There are some errors in temperature field simulation. Although we ignore the latent heat and the numerical model of inherent error, it is reasonable to simulate the temperature field variation.Keywords: T12steel, Heat treatment, Temperature field, Finite element simulation目 录1 前言11.1 研究目的及意义11.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展21.3 本文研究的内容21.4 本章小结32 有限元法概述42.1 数值模拟的基本概述42.2 ANSYS有限元软件42.2.1 ANSYS的概述52.2.2 ANSYS的功能52.2.3 ANSYS的用户界面72.2.4 ANSYS分析的基本过程82.3 温度场计算基本原理 92.3.1 温度场92.3.2 温度场控制方程92.3.3 初始条件和边界条件92.3.4 热物性参数的选择和相变潜热的处理102.3.5 瞬态非线性温度场的求解102.4 本章小结113 碳素工具钢及其热处理工艺研究123.1 碳素工具钢123.2 热处理简介和碳素工具钢的热处理123.3 T12钢的热处理工艺133.3.1 T12钢的物性参数133.3.2 T12钢的热处理工艺143.4 本章小结154 有限元模拟过程164.1 有限元建模164.2 有限元模拟具体步骤164.3 结果与分析224.3.1 球化退火过程温度场结果和分析224.3.2 淬火过程温度场结果和分析254.3.3 回火过程温度场结果和分析284.4 本章小节305 结论31参考文献32致 谢34 III太原工业学院毕业设计1 前言碳素工具钢资源丰富、易于锻造成形、切削加工性能好、原料来源方便、便于回收利用，经热处理后能够得到高的硬度和高的耐磨性。在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。全球诸多工业国家，在努力提高低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也高度关注改进碳素钢的各项力学性能，扩展其品种和应用领域。目前，碳素钢的产量约占钢总产量的80%左右，它不仅广泛应用于路桥、轨道交通、汽车、船舶、建筑、军工和机械制造工业，而且在近代的海洋幵发、航天工程等方面也得到广泛使用。1.1 研究目的及意义在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。但随着科学技术的进一步发展，对碳素工具钢零件的性能和可靠性要求越来越高。碳素工具钢零件的内在性能和可靠性除了与材料成分特性有关外，更是与其热处理工艺方式密不可分。合理的热处理工艺可以有效的优化零件内部组织分布、控制晶粒尺寸、改善应力状态，从而更好的发挥碳素工具钢的潜力，扩大其应用范围。由此可见在现代工业中热处理具有十分重要的地位。在热处理过程中，温度是涉及所有热处理工艺过程的基本参数。温度的变化直接决定工件内部显微组织结构及热处理后工件内部的残余应力1。因此在热处理过程中对零件的温度场进行研究具有重要的实际意义。在理论上对温度场的解析是很困难的，甚至于是不可能的。采用物理模拟方法对温度场模拟进行研究也存在很大的局限性。因此借助先进的计算机技术，应用数值模拟的方法对热处理过程温度场的研究具有十分重要的意义。目前常用作数值模拟的有限元软件主要有NASTRAN、ASKAANSYS、COSMAP等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了非常好的成果。在这些有限元软件中，ANSYS软件不仅可以将热处理过程动态、逼真的模拟出来，还可以清晰直观的显示热处理过程任意时刻、任意节点的温度分布2。因此本文采用ANSYS软件对T12钢热处理过程温度场进行模拟。1.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展早期人们采用人工测量、经验判断或两者相结合来研究热处理过程的温度场。随着计算机和数值模拟技术的日益发展，人们开始采用数值模拟来对热处理过程的温度场进行研究，并取得了很大的进展。国外在温度场计算方面的研究起步较早，19世纪70年代左右己经实现了非稳态温度场的数值计算；随后，在热处理过程温度场数值计算中开始考虑相变潜热释放、对流换热系数的选取和热物理性参数等非线性因素3。21世纪以后，国内外公司和学者先后开发了HEARTS、SYSWELD、DEFORM、DANTE、Thermal Prophet、ABAQUS、ANSYS、MARC 等大型有限元软件。这些软件广泛应用于热处理的正火、退火、淬火、回火、渗碳渗氮、感应加热及金属再结晶、晶粒长大等现象中的数值模拟。我国开展热处理数值模拟工作比较晚，首先是一些学者和留学生开始了这方面的研究4。二十世纪八十年代后，国内的一些大学，公司开始陆续开展研究工作；殷雯等通过求解碳钢零件淬火过程温度场的分布，得出了一种不需要由实验测量的平面及轴对称零件淬火冷却时温度分布的确定方法5；朱圆圆等采用ANSYS对45钢淬火过程温度场进行了研究，得出了淬火时45钢应选用的合理淬火介质以及淬火的时间控制6。目前数值模拟不仅能对热处理温度场进行动态、逼真的模拟，它还可以预测工艺结果是否符合组织、性能要求，进行安全评估等。利用数值模拟不仅可以对现行工艺进行校核，而且可以优化工艺方案和参数，从而使热处理工艺的制定建立在更可靠的科学基础上。通过各国学者的不断努力热处理温度场的数值模拟将不断完善并走上实用化。1. 3 本文研究的内容本文以T12钢为代表的碳素工具钢为研究对象，利用有限元软件ANSYS，模拟热处理过程中T12钢的温度场。在热处理过程中温度是基本的参数，它对产品的结构和尺寸有着重要的影响，因此在设计和加工过程中要充分考虑温度这个因素。可见对热处理过程中温度场的数值模拟具有重要的工程实际意义。本文主要进行以下几方面工作：1) 了解碳素工具钢和热处理规范，能够制定出T12钢合理的热处理工艺。2) 介绍了有限元软件ANSYS和其热分析功能，并简述了数值模拟技术和有限单元法。3) 根据传热学和热力学第一定理等基本原理,建立了轴对称温度场的微分方程，并讨论了热处理过程的初始条件和边界条件。4) 讨论了瞬态温度场非线性的求解和相变潜热对温度场的影响，并讨论热处理过程中工件表面的综合换热系数的选择。5) 建立T12钢二维温度场有限元模型，并在模型中考虑了材料非线性的影响。6) 对制定的T12钢热处理工艺进行了数值模拟计算，并分析热处理过程温度场分布对T12钢组织和力学性能的影响。温度场数值模拟的现实意义在于,根据对热处理过程温度场的数值模拟,可以为热处理加热和冷却的时间提供参考,并为合理选择加热参数提供了理论依据。现在的好多文献都是研究淬火过程，对其他热处理工艺数值模拟研究很少，本文对除淬火外热处理工艺的研究为其他学者提供了一个参考。 1.4 本章小结本章对研究本课题的目的、意义和国内外研究进展进行了简单的综述，最后确定本文的研究内容。2 有限元法概述2.1 数值模拟的基本概述数值模拟7（计算机模拟）是借助计算机来研究复杂现象的一种近似求解的数学方法，通俗的来说就是用计算机来做实验。计算机模拟技术可以对热处理方式实现安全评估、预测热处理方式是否满足所要的微观组织、晶粒大小的要求、有效反应热处理过程温度场的变化规律。目前，由于等各种学科不断融合与发展，使数值模拟技术在热处理领域得到广泛应用。数值模拟主要有建立描述问题的数学模型、查找解决问题的高准确度和高效率的计算方法、编写程序进行计算、对得到的数据进行处理与分析等几个步骤8。数值模拟经常使用的方法有有限元差分法、有限元法、边界元法等。过去大都采用有限元差分法，但是它只是单纯的考虑了节点之间的关系，在处理复杂的问题时有很大的局限性9。目前国内外采用有限元法，因为它还考虑了单元内的变化及单元间的相互作用，这样会使数值模拟的结果更精确。有限单元法一般用于数理方程问题的求解计算10。早期有限单元法融合了计算数学、弹性理论以及计算机技术所涉及的相关理论。因为有限元法具有快速、灵活、有效性等特点，因此有限单元法很快发展成为求解各领域数理方程问题的一种近似的通用计算方法11。有限单元法把求解区域分成若干个单元，每个单元在节点处互相链接 ，从所建立的模型中可以看出方程的分片近似解。由于有限单元法它可以把模型分割成很细的网格，所以它可以适应复杂多变的边界条件、几何轮廓、材料特性等问题。目前著名的有限元软件有：ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP 等。以 ANSYS 为代表有限元软件，融合了计算机领域的核心研究成果，将计算机绘图与有限元分析方法融合12。这些使ANSYS成为现代社会解决工程实际问题的主要工具。现在ANSYS可以求解由板、壳、块体、杆、梁等各类单元构成的塑性、弹塑性问题及求解各类场的分布问题，例如组织场、温度场、应力场等的稳态或瞬态问题，特别的是对温度场分布问题的解决。2.2 ANSYS有限元软件2.2.1 ANSYS的概述ANSYS软件13是国际上第一个通过ISO9001质量认证的大型有限元分析设计软件。它把结构学、热学、流体学、电磁学、声学等汇聚于一体，在各个行业领域得到了广泛的应用。目前ANSYS还在不断的发展，其功能正在日益完善。它现在已经可以进行结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格分析等功能。虽然ANSYS软件的功能强大，但其操做很符合人性化，这也是它的一大优点。如图2.1既为ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口。 图2.1 ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口2.2.2 ANSYS的功能 利用ANSYS软件可以进行结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析。本课题主要分析热处理过程温度场分布，即主要使用ANSYS软件的热分析功能。热分析14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。下面详细介绍热分析。1) ANSYS热分析的基本原理ANSYS进行热分析计算基本原理15是首先把模型划分成有限元单元，然后根据能量守恒第一定律求解在一定初始条件和边界条件下每个单元的热平衡方程，计算出各单元的温度值，求解温度场分布或其他相关量。原则上来说单元划分的越细小，模拟出来的结果就越精确。但是单元划分的太细会增加计算量，影响运算速度。一般在温度变化剧烈的局部网格划分的密一些，其他部位可以划分的简单一点16。这样不但提高了模拟精度也提高了运算速度。2） ANSYS热分析分符号与单位热分析中基本符号及国际单位见表2.1所示。表2.1 热分析基础单位项目国际单位ANSYS代号长度m时间s质量Kg温度力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m生热速率W/m导热系数W/m-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH3） ANSYS热分析分类ANSYS热分析分为稳态传热和瞬态传热，稳态传热是系统的温度场不随时间变化，瞬态传热是系统的温度场随时间的变化有显著的变化。4 ） 热传递的方式 根据能量传递的原理不同，热传递方式有热传导、热对流和热辐射。5 ） 热分析的功能 ANSYS热分析以能量守恒原理的热平衡方程为基础，用有限元单元法计算各节点的温度，从而求解出所需要的物理量。目前ANSYS不但可以研究热处理过程温度场的分布，还可以研究材料的固化和溶解过程的相变分析能力。2.2.3 ANSYS的用户界面启动ANSYS 后，将进入如图2.2所示的图形用户界面，其中主要包括菜单栏、快捷工具条、工具条、输入窗口、显示隐藏对话框、主菜单、图形窗口、视图控制栏、输出窗口和状态栏十个部分.图2.2 ANSYS 14.0 图形用户界面菜单栏中还有多个下拉菜单，囊括了ANSYS的绝大部分系统环境配置功能，在软件运行的任何时候都能访问该菜单；快捷工具条是作为打开、保存文件等功能的快捷方式出现的；工具条是执行命令的快捷方式，多用与存档和恢复上次存档的操作；输入窗口中可以输入各种命令，而且ANSYS将会自动匹配待选命令的输入格式；显示隐藏对话框可以显示由于对话框重叠而隐藏的对话框；主菜单几乎包括ANSYS分析过程中的所有的命令，前处理器、求解器、后处理器等都位于此菜单；图形窗口用于显示ANSYS的分析模型、划分的网格等各种信息；视图控制栏可以对图形窗口中所建模型进行视图操作，来调整到用户最佳的视图角度；输出窗口用来显示ANSYS软件操作时输入命令的反馈信息；状态栏显示ANSYS的一些当前信息，如当前所在模块、材料属性、系统坐标等。2.2.4 ANSYS分析的基本过程ANSYS的分析过程包括三个主要的步骤：前处理、加载并求解和后处理。ANSYS分析的基本过程前处理 包括创建或读入几何模型、定义材料属性和划分网格生成单元节点。加载并求解 包括施加载荷、边界条件和进行求解计算。后处理对结果进行分析检验图2.3 ANSYS分析的基本过程2.3 温度场计算的基本原理温度是涉及所有热处理过程的基本参数，它的分布影响零件的应力场和组织场，它是影响热处理数值模拟计算准确性的关键，因此温度场的模拟是热处理过程数值模拟的最主要的内容。为了保证温度场数值模拟的准确性，在温度场计算模型中必须考虑初始条件、边界条件、材料热物性参数非线性等因素对温度场模拟的影响。2.3.1 温度场温度场是在不同时刻物体内部各点温度分布的总称。温度场分为稳态温度场与非稳态温度场。稳态温度场各点的温度不随时间的变化而改变。非稳态温度场内各点的温度随时间的变化而改变，它是坐标与时间的函数17。2.3.2 温度场控制方程 本文对热处理过程温度场的传热理论及模型进行了研究。在热处理加热或冷却过程中，工件内部的热量是以热传导方式传递的，工件表面主要是通过介质与钢件表面的热对流传递热量。虽然不同的学者建立的数学模型和处理方法不一样，但其数学物理基础是一致的。考虑到工件为圆柱体，为了方便简化，采用圆柱体的半个截面来进行研究。本文采用的轴对称传热温度场控制微分方程18为 式中，为密度 为比热容 为导热系数 为相变潜热 为传热时间这些参数中、都随温度变化而变化。2.3.3 初始条件和边界条件上面轴对称传热温度场微分控制方程是泛定方程，为了获得定解，需要给出微分方程的边界条件及初值条件18。 初始条件是指初始温度场，是计算的出发点。在本文的热处理加热或冷却过程中定为均匀温度场，即某一确定温度。热处理的边界条件是工件在加热或冷却过程中与外界环境之间复杂的换热情况，想要得到温度场控制方程的定解，不仅要知道初始条件还需要给出求解过程的边界条件。在本文热处理加热和冷却过程中，在钢件表面和介质是通过热对流来传递热量，它属于第三类边界条件19，其公式如下： 式中 ， 表示工件表面温度表示与工件表面接触的流体温度表示对流换热系数2.3.4 热物性参数的选择和相变潜热的处理热物性参数主要是指导热系数 、密度 和定压比热。一般来说热处理数值模拟用到的热物性参数不是常数，它们随组织、温度变化而变化的19。在热处理中各节点一般不是单一的组织，这种情况下就需要根据不同温度、不同组织的含量计算此节点某一时刻的热物性参数。但对于常见的材料，我们可以查阅有关专著手册获得。本文通过查阅相关论文和实用热物性质手册获得的。物质在发生相变时会有热量的吸收或释放，我们把这热量称为相变潜热。根据经验，钢在加热或冷却过程中会伴随相变潜热的释放或吸收，因此会对工件的温度场分布产生影响。研究工作人员一般采用等价比热容法、温度回升法、热焓法来解决这一问题20。在本文中由于相变潜热的释放对温度场的影响很小，所以忽略不考虑。2.3.5 瞬态非线性温度场的求解 在对零件加热或冷却过程中，虽然初始温度均匀，但加热或冷却开始后，工件内部温度分布差异比较大。除此外材料的热传导系数、边界换热系数、材料密度等热物性参数随时间的变化而改变，因而在模拟过程中很容易形成数据的不准确。对于瞬态问题的温度场，我们一般采用局部网格加密化法来解决这一问题。局部网格细化，是针对零件内部温度分布差异大的情况。对于加热或冷却过程，工件边界在极短时间内温度急剧变化，材料的热物性参数变化大，对于这些区域为了保证计算结果的正确性及避免产生数值振荡，应该对这些区域进行局部网格细化。2.4 本章小结本章首先对数值模拟技术进行了概述，然后介绍了ANSYS有限元软件，最后介绍了温度场计算原理，为以后软件的操作打下了坚实的基础。3 碳素工具钢及其热处理工艺研究碳素工具钢由于其低廉的价格、简单的成型工艺、较好的力学性能和工艺性能，使其成为工业上广泛应用的金属材料。碳素工具钢也用某些不足，如淬透性差、回火抗力较差。但我们可以通过热处理来改善这些，使碳素工具钢的应用更加广泛。3.1 碳素工具钢碳素工具钢3是用来制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的碳素钢。它有着较高的耐磨性、较高的硬度、适当的韧性和高温下较好的红硬性。碳素工具钢一般用“T+数字”来表示，其后的数字表示含碳的千分之几。碳素工具钢的碳的含量为0.651.35。随着含碳量的提高，碳素工具钢的耐磨性有所提高，但韧性会有所下降21。碳素工具钢的成分及应用见表3.1。表3.1 常用碳素工具钢牌号、成分和用途钢号化学成分（）应用举例CMnSiSPT80.750.840.200.400.150.350.0300.035制造承受震动与冲击载荷、要求足够韧性和较高硬度的各种工具，如简单模子、冲头、剪切金属用剪刀、木工工具等T100.950.1040.150.350.150.350.0300.035制造不受突然震动、在刃口上有少量韧性的工具，如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯锯条、卡尺等T121.151.240.150.350.150.350.0300.035制造不受震动的、要求较高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等3.2 热处理简介和碳素工具钢的热处理金属材料的特性就是其性能的多变性，即一种材料具有不同的性能。怎么样使一种金属具有这种性能，我们可以通过热处理来实现金属的这一特性。 热处理22是采用适当的方法对固态金属进行加热、保温、冷却来改变材料的内部显微组织和表面化学成分，从而提高并改善其力学性能的一种重要的加工方式。热处理的每个阶段对钢性能影响都很大。钢的加热过程影响奥氏体组织的化学成分、晶粒大小、均匀程度；保温过程则影响奥氏体晶粒的大小、奥氏体均匀化程度；冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。根据钢加热、冷却方式和获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺23可以分为普通热处理和化学热处理。普通热处理就是我们平常所说的“四把火”，即退火、正火、淬火、回火。化学热处理24主要分为表面淬火和化学热处理两大类。碳素工具钢的热处理25分为预备热处理和最终热处理。碳素工具钢的预备热处理一般采用球化退火(T7钢除外，其可以采用完全退火)，退火后组织为铁素体基体+细小均匀的粒状渗碳体。最终热处理为淬火+低温回火，其组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。碳素工具钢经过热处理后，耐磨性和加工性都比较好，价格又低廉，生产上得到了广泛的应用。3.3 T12钢的热处理工艺3.3.1 T12钢的物性参数文中研究所采用的T12钢的化学成分、密度、相变过程中的临界转变点以及不同温度下的热物性参数等数据均来源于相关文献资料。 表3.2 T12钢的化学成分 CSiMnSP1.151.240.350.400.0300.035 表3.3 T12钢的临界温度 730820700200表 3.4 空气的对流换热系数温度()50200350500600700800850h(w/()10.5318.9729.3543.8156.2871.3789.3799.59表3.5 水的对流换热系温度()50100200350500600700800h(w/()2003800600014000700042001500500表3.6 T12钢的热物性参数温度()密度（）比热容（）导热系数（）207847-40.323007829548.441.165007694728.5-6007655-38.227007612649.0-9007533636.434.023.3.2 T12钢的热处理工艺过共析钢锻件锻后组织一般为片状珠光体，如果锻后冷却不当，还存在网状渗碳体。不仅硬度较高、难于切削加工，而且增大钢的脆性，淬火时容易产生变形或开裂。因此锻后必须进行球化退火，获得粒状珠光体。球化退火的关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火温度一般在以上20-30不高的温度下，保温时间亦不能过长，一般为2-4h为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在以下20左右进行较长时间等温。碳素工具钢在淬火并低温回火的状态下使用，经淬火并低温回火得到隐晶回火马氏体和均匀细小的粒状碳化物组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。过共析钢的淬火加热温度限定在以上30-50是为了获得细小的奥氏体晶粒和保留少量渗碳体质点，淬火后得到隐晶马氏体和其上均匀分布的粒状碳化物，从而不但可以使钢具有更高的强度、硬度和耐磨性，从而也具有较高的韧性。如果过共析钢淬火温度超过 ，碳化物将全部融入奥氏体中，使奥氏体中的含碳量提高，降低钢的和，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大；此外，高温加热淬火应力大、氧化脱碳严重，也增大钢件变形和开裂倾向。低温回火温度一般为150-200，回火时间为1-2h，回火的目的是在保持高硬度的条件下消除淬火应力，提高塑性和韧性。在755保温10min后以690等温35min的热处理工艺为T12钢较优的球化退火工艺，然后在进行760淬火+150的低温回火26。其工艺曲线如图3.1。T/755 760690水10min35min空10min淬150冷空 60min冷t/s 球化退火 淬火 低温回火 图3.1 T12钢的热处理工艺曲线 3.4 本章小结 本章主要介绍了碳素工具钢及热处理工艺，最后确定了T12钢热处理工艺曲线。4 有限元建模过程4.1 有限元模型T12钢热处理的加热和冷却过程属于瞬态热分析，本文选用PLANE55二维实体（轴对称）单元进行有限元分析。根据模型的对称性原理，对于直径为400mm、高度为300mm的钢圆柱模拟时，选取其截面一半为有限元模型。1节点是工件轴心线的最下面，2节点是下表面的边缘，其中86节点是工件心部。8612图4.1 有限元模型4.2 有限元模拟具体步骤T12钢热处理过程温度场的数值模拟过程属于瞬态非线性热分析问题。在建模过程中采用国际单位制。第一步：建立工作文件名和工作标题(1) 选择Utility Menu | File | Change Jobname 命令，弹出Change Jobname对话框。在/FILNAM文本框中输入工作文件名Exercise1，单机OK 按钮关闭对话框。(2) 选择Utility Menu| File | Change Title 命令，弹出 Change Title 对话框输入Research on Numerical Simulation of Temperature Field on Heat Treatment of T12 Steel，单机OK按钮关闭该对话框。第二步：定义单元类型选择Main Menu| Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete |命令，弹出Element Type 对话框，单击Add 按钮，出现Library of Element 对话框，选取Thermal Solid ,Quad 4node 55,单击Close按钮关闭对话框。然后单击Option选项，在Element Behavior K3 下拉框中选择Axisymmetric ，单击OK按钮关闭对话框，最后单机Element Type 对话框中的Close按钮关闭对话框。第三步：定义材料性能参数(1) 选择Main Menu | Preprocessor | Material Models 命令，弹出Define Material Model Behavior 对话框。(2) 在Material Models Available 中选取Thermal | Conductivity | Isotropic，在弹出的对话框中将表3.5中导热系数一列输入，如图4.2所示，单击OK按钮关闭该对话框。 图4.2 输入材料导热系数对话框(3) 选取 Define Material Model Behavior 对话框中的Specific Heat选项，在弹出的对话框中将表3.5中比热容一列输入，单击OK按钮关闭对话框。(4) 选取Define Material Model Behavior 对话框中的Density 选项，在弹出的对话框中将表3.5中密度一列输入，单击OK按钮关闭对话框。(5) 在Define Material Model Behavior对话框中选择Material | Exit ,关闭对话框。第四步：创建几何模型、划分网格(1) 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Areas | Rectangle | By Dimensions,弹出Create Rectangle by Dimensions 对话框，按照图4.3进行设置。图4.3 生成矩形对话框(2) 单击OK按钮关闭对话框。(3) 选择Utility Menu | PlotCtrls | Numbering ，出现Plot Numbering Controls 对话框，将选项LINE Line numbering 从Off 变为 On，关闭对话框。(4) 选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，弹出Element Size on 菜单，选择编号为1的线段，单击Ok按钮，弹出Element Size on Pick Lines 对话框，按照图4.4设置。(5) 选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，弹出Element Size on 菜单，选择编号为2和4的线段，单击Ok按钮，弹出Element Size on Pick Lines 对话框，在NDIV No. of element divisions 中输入30，单击OK关闭对话框。(6) 选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | Manualsize | Lines | Pick Lines ，弹出Element Size on 菜单，选择编号为3的线段，单击Ok按钮，弹出Element Size on Pick Lines 对话框。在NDIV No. of element divisions 中输入20，在SPACE Spacing ratio 文本框中输入5，单击OK关闭对话框。 图4.4 设置单元个数对话框（7）选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | MeshTool ，出现MeshTool菜单，单击mesh 按钮，出现Mesh Areas 菜单，选择面，单击OK按钮关闭对话框。(8) 选择Utility Menu | Plot | Elements，ANSYS显示窗口显示网格划分结果，如图4.5所示。图4.5 网格划分结果第五步：加载求解(1) 选择Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis ，出现New Analysis 对话框，选择分析类型为Transient，单击OK按钮，出现Transient Analysis 对话框，选取Full按钮，单击OK按钮关闭对话框。(2) 选择Main Menu | Solution | Analysis Type | Soln controls ，出现Solution Controls 对话框，单击Basic选项卡，参照图4.6进行设置，单击OK按钮关闭对话框。图4.6 求解基本选项设置对话框(3) 选择Main Menu | Solution | Load Step Opts | Time/Frequenc |Time-Time Step，参照图4.7进行设置。图4.7载荷步时间选项设置对话框(4) 选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Temperature | Uniform Temp，出现Uniform Temperatures 对话框，在文本框中按照T12钢的热处理工艺图输入，单击OK按钮关闭对话框。(5) 选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines，出现Apply CONV on Lines 对话框，按照T12钢的热处理工艺图、表3.3和表3.4设置，单击OK按钮关闭对话框。(6) 选择Main Menu | Solution | Solve | Current LS ，出现Solve Current Load Step对话框，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。第六步：查看结果分析(1) 选择Main Menu | General Postproc | Read Results | By Pick ，然后选择特定时间点。(2) 选择Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，出现 Contour Nodal Solution Data 对话框。选择Nodal | Solution | DOF Solution | Nodal Temperature，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示温度场等值线图。(3) 选择Main Menu | TimeHist Postpro | Define Variable ，出现Define Time-History Variable 对话框，单击Add按钮，将弹出Add Time-History Variable 对话框，选择Nodal DOF result ，单击Add Time-History Variable 对话框上的OK按钮，出现Define Nodal Data 菜单，参照图4.8进行设置。图4.8 定义节点数据对话框(4) 选择 Main menu | TimeHist Postpro | Graph Variables，弹出Graph Time-History Variable 对话框，在NAVR1 1st variable to graph 文本框中输入所选节点的编号，单击OK按钮，ANSYA显示窗口将显示所选节点温度随时间变化的曲线图。(5) 选择Main Menu | File | Exit ，出现Exit from ANSYS 对话框，选择Quit-No Salve ，单击OK按钮，关闭ANSYA。4.3 有限元模拟的结果与分析4.3.1 球化退火过程温度场结果和分析 图4.9 T12钢球化退火加热到60s时的温度场分布图（单位：）图4.10 T12钢球化退火加热到300s时的温度场分布图（单位：）图4.11 T12钢球化退火加热到600s时的温度场分布图（单位：）温度（单位: ）2186时间(单位：s )图4.12 T12钢球化退火加热过程1、2、86节点温度随时间变化曲线图图 4.9为T12钢在球化退火加热到60s时的温度分布云图，图 4.10为T12钢在球化退火加热到300s时的温度分布云图，图 4.11为T12钢在球化退火加热到600s时的温度分布云图。从图4.9、图4.10和图4.11可以看出，温度场的计算机模拟可以直观形象的表达出在球化退火加热过程中，在任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况；随时间的延长心部温度不断上升并不断接近表面温度；在任意时刻工件心部的温度不高于表面温度，这完全符合实际生产。尽管本文对相变潜热忽略和数值计算模型本身就有的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但模拟出来的温度场变化规律是合理的。由图4.9可以看出，在60s时工件表面边缘温度迅速上升到176.462，心部的温度基本没有变化。随着加热时间的延长，工件的温度不断上升。从图4.10可以看出在300s时，工件心部温度有了明显的上升，达到了34.732左右。从图4.11可以看出在600s时，工件表面边缘温度达到了417.028，工件心部温度达到了108.081。图 4.12为T