毕业设计（论文）-合金钢热处理要油冷过程温度场分析.doc

合金钢热处理油冷过程温度场分析摘 要：利用ANSYS软件建立轴对称有限元模型，通过热分析模块对合金钢淬火过程进行建模、划分网格、加载及求解，得到该钢件在淬火过程不同时刻的温度场以及钢件上所选取特殊点的温度场随时间变化的分布，同时了解到温度随时间的变换关系；油冷过程中零件不同部位存在着较大的温度差，其中在零件的心部区域温度下降速度最小，数值模拟的结果符合生产实际。在淬火油冷过程中随时间的延长，零件温度迅速降低，而零件各部分温度下降速率不同。零件不同部位的温度差异是产生淬火残余应力及由此导致零件变形、开裂报废的主要原因。关键词：合金钢，温度场，有限元模拟，热处理Alloy steel heat treatment process of oil cooling temperature field analysisAbstract：Axisymmetric finite element model is established by using ANSYS software, through the thermal analysis module of steel quenching process modeling, mesh, loading and solving, get the steel in the temperature field of quenching process of different time and the selected special point on the steel, the distribution of temperature field changing with time and understand the transformation relationship of temperature with time, In the process of the oil cooling parts exist in different parts of a larger temperature difference, which in part of the core area of minimum temperature drop rate, the numerical simulation results accord with actual production. In the process of quenching oil cooling with the extension of time, the parts quickly reduce the temperature, the component temperature drop rate of each part is different. Temperature difference from different parts of the parts is the quenching residual stress and the main reason of leading to parts of shape, craze scrap.Keywords: Alloy steel, temperature field, the finite element simulation of heat treatmentIII目 录1 绪论11.1 课题提出的目的及意义11.2 国内外研究进展21.3 研究的主要内容及研究手段31.3.1 研究内容31.3.2 研究手段32 热处理工艺制定42.1 40Cr材料简介42.2 调质钢热处理工艺52.2.1 预备热处理62.2.2 最终热处理62.3 40Cr淬火工艺的制定62.3.1 加热温度62.3.2 加热时间72.3.3 冷却介质72.3.4 淬火工艺曲线图83 ANSYS有限元软件93.1 ANSYS简介93.2 ANSYS主要模块介绍103.3 ANSYS有限元分析流程113.4 淬火冷却过程数学模型113.4.1 热传导方程的建立113.4.2 初始条件123.4.3 边界条件134 基于ANSYA的淬火温度场的数值模拟154.1 定义单元类型154.2 单元的材料特性164.3 建立模型184.4 网格划分204.5 定义边界条件214.6 求解及结果分析224.6.1 油冷过程某些时刻温度场分析224.6.2 油冷过程某些特定位置温度随时间变化曲线图274.6.3 模拟结果分析295 总结315.1 论文撰写过程总结315.2 课题研究得出结论315.3 展望31参考文献33致 谢35太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 课题提出的目的及意义合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素以外，还含有其他的合金元素（如铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆等）。根据合金元素含量的高低可以分为低合金钢、中合金钢、高合金钢三种；根据钢中所含主要合金元素的种类不同也可分为锰钢、锘钢、锘镍钢、硼钢等1。由于合金钢中含有不同种类和数量的合金元素，在采取适当的工艺措施的情况下，即可分别具有相对较高的强度、韧性、淬透性、耐磨性、耐蚀性、耐低温性、耐热性、热强性、红硬性等特殊性能。目前在国际上使用的合金钢钢号有上千个，数万个规格，其产量约占每年钢总产量的百分之十，是国民经济建设和国防建设中大量使用的重要金属材料。热处理是将金属材料放在一定的介质中加热、保温、冷却，通过改变材料表面或者内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺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而言，热处理工艺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组织结构，或者改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。通过恰当的热处理工艺，不仅可以提高钢的使用性能、改善钢的工艺性能，而且能够充分发挥材料的性能潜力，提高产品的产量和质量，提高经济效益1。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却这三个过程，这些过程相互衔接，不可间断。加热是热处理的基本工序之一。利用加热源可以直接对材料进行加热，也可以通过介质进行间接加热。金属加热时，在高温下可能与工件表面发生化学反应而改变表层成分，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因此金属通常应在可控气体或保护气体中、熔融盐中或真空中加热，也可运用涂料或者包装方法进行保护加热。另外，热处理加热温度和保温时间是热处理各种工艺方法的最主要工艺参数之一，是确保热处理质量的关键因素3。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。由于成分不同或热处理目的不同，加热温度和保温时间的确定要根据合金成分和热处理目的视情况而定。加热温度通常根据热处理的目的和平衡相图确定，而保温时间往往根据试验和经验确定4。冷却也是热处理工艺过程中重要的步骤之一，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如对于一些高合金钢而言，空气冷却已超过其临界冷却速度，属于淬火而非正火5。1.2 国内外研究进展随着大型通用商业有限元软件如ANSYS、MSC、MARC等的普及，计算机软硬件水平的提高, 应用进行热分析研究的工作也越来越深入6。目前应用较好的领域有石油化工、钢铁冶金、机械制造等科学研究领域。而钢铁行业投资大, 工艺复杂, 进行有限元模拟分析尤为重要。史晓鸣利用结构有限元软件MSC Patran和MSC Nastran对持续加热环境下的结构的瞬态温度场分布及固有模态变化进行分析，得出相对于简单的结构模型，升温会导致材料弹性模量在受热后固有频率呈现下降趋势，但如果继续加热，温度场会趋于均匀，则结构的固有频率会缓慢回升7。唐六丁等采用有限元分析软件MSC.Superform对连杆热模锻全过程进行了非线性、大变形热机械耦合分析，并在此基础上对所计算的模具寿命进行了预测，其结果是与实际情况基本一致，为进一步研究不同工况下的热模锻成形控制和终锻成形模具结构设计提供了理论依据8。孔祥伟等采用有限元分析软件ANSYS 对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟, 在模拟过程中,动态分析了热轧时工作辊的升温过程, 预测了工作辊的瞬态温度分布, 并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中, 其计算结果与文献结果相吻合9。赵永忠等利用有限元分析软件对中厚板轧后控冷过程进行了有限元模拟, 得到了钢板在水冷条件下的温降曲线及瞬态温度场分布, 为制定合理的控冷工艺提供了有力的指导作用10。杨庆祥等采用ANSYS 计算软件, 模拟了堆焊过程中温度场和残余应力场的分布, 在模拟中考虑了马氏体相变、杨氏模量及其它参数对计算结果的影响, 并将计算值与残余应力场的测量值进行了比较11。结果表明, 残余应力场的计算结果与实测结果吻合较好。朱援祥等利用ANSYS 有限元软件以BHW35 钢补焊为例进行数值模拟, 给出了有限元的实现过程12。并根据应力分布情况, 得到一些结论, 焊缝中心的残余应力变化不大而热影响区存在较高的残余拉应力, 且在同一位置, 随着修复次数的增加, 应力值逐步提高。1.3 研究的主要内容及研究手段1.3.1 研究内容本文研究合金钢热处理油冷过程温度场某些时刻温度场的分布，以及某些特定位置温度场变化随时间的变化关系。以40Cr淬火过程温度场数值模拟为例。（1）制定合金钢热处理工艺。（2）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）计算热处理油冷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合金钢组织和力学性能的影响。1.3.2 研究手段本文用有限元软件ANSYS模拟合金钢热处理油冷过程中三维温度场的变化，模拟计算合金钢热处理油冷过程某些时刻温度场的分布，和热处理油冷过程某些特定位置温度场变化随时间的变化关系，分析热处理油冷过程温度场分布对合金钢组织和力学性能的影响。计算时综合考虑非线性的材料热物性参数、界面换热系数及相变潜热的影响。通过对油冷时计算硬度与实测淬火试样硬度分布的比较，表明模拟结果与实际情况较为符合。2 热处理工艺制定热处理工艺是机械制造加工过程中的重要工序，金属材料通过热处理工艺可以充分发挥金属材料的内在潜力，从而使得金属零部件得到所需要的使用性能，在提高零件的质量的同时又延长零件的使用寿命。钢的热处理是指将钢件材料在固态情况下加热、保温、冷却，从而改变材料的内部组织结构，进而获得所需性能的热加工工艺。2.1 40Cr材料简介40Cr钢是一种调质钢，同时也是我国目前应用最广泛，使用最多的合金调质钢。它广泛应用于制造连杆、螺栓、轴类等零件13。在金属及合金的制造中，用40Cr钢制造某些零件，其要求要提高性能及使用寿命，这就要涉及到热处理工艺的选择。从铁碳合金相图（图2.1）可以看出：40Cr钢属于亚共析钢，在缓慢冷却到室温后的组织为铁素体和珠光体13。从钢的分类来看，40Cr属于低淬透性调质钢，具有很高的强度及良好的塑性和韧性，也就是具有良好的机械性能14。40Cr钢主要应用于制造业，特别是机械类制造的材料。表2.1所示的是40Cr的化学成分及临界温度。40Cr的热处理，各种参数都有规定，在此应注意：40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向较小。 图2.1 铁碳合金相图表2.1 40Cr的化学成分及临界温度化学成分（%）临界温度（）C7348006937302.2 调质钢热处理工艺调质钢的热处理可分为两种：预备热处理和最终热处理5。热处理工艺一般包括加热、保温和冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程相互衔接，不可间断。根据GB/T3077-1999合金结构钢标准要求规定了热轧和锻制的合金结构钢尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、实验方法、检验规则、包装、标志和质量证明书等13。本标准适用于直径或者厚度不大于250mm的合金结构钢棒材，所以据此可得出40Cr钢在进行调制处理后，要检验标准试样的力学性能。2.2.1 预备热处理调质钢经热加工后,必须经过预备热处理来降低硬度,便于切削加工,消除热加工时造成的组织缺陷,细化晶粒,改善组织和防止白点产生，为最终热处理做好准备。碳钢与合金含量低的钢，预备热处理可以采用正火或退火5。对于40Cr钢而言,可进行正火或退火处理。2.2.2 最终热处理最终热处理的目的是使钢材的性能达到零件使用条件下的性能要求，对调制钢来说可采用调制处理、化学热处理和表面加热淬火-回火等5。调质钢的最终热处理一般情况下是淬火加高温回火。通常可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬以避免热处理缺陷。当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。2.3 40Cr淬火工艺的制定2.3.1 加热温度40Cr钢属于亚共析钢，其淬火加热温度为：，由表2.2确定加热温度为。表2 钢的正火、淬火加热温度()钢材牌号正火加热温度淬火加热温度358024578040Cr7828007807709302.3.2 加热时间加热计算经验公式以及碳钢和合金钢的加热系数如表2.3所示。表2.3 加热计算经验公式及碳钢和合金钢的加热系数工件加热时间的计算式钢材加热系数空气电阻炉加热系数(min/mm)盐浴炉加热系数(s/mm)碳钢合金钢高速钢圆柱形工件按直径计算：对于空心圆柱工件，时以h计；当时，以计；当时，以空心圆柱计；空心圆锥体件以外径计。2.3.3 冷却介质实际生产中的常用淬火介质有水、水溶性盐类和碱类、有机水溶液、以及油、熔盐、空气等，其中水和油最为常用1。水是最常用的淬火介质,不仅来源丰富,而且具有良好的物理化学性能。但其作为淬火介质的主要缺点是在范围内冷速太大,易使工件严重变形甚至开裂。淬火用油有植物油与矿物油两大类。植物油如豆油、芝麻油等，虽有较好的冷却持性，但因易于老化、价格昂贵、产量有限等缺点，己被矿物油所取代。用油作为淬火介质的主要优点是油的沸点一般比水高，其对流阶段的开始温度比水高很多，由于一般在钢的从点附近已进入对流阶段，所以低温区间的冷速远小于水，将有利于减少工件的变形与开裂倾向15。目前在热处理生产中大量使用的淬火介质是水和油，一般情况下，碳钢件淬水，合金钢淬油。本课题采用淬火冷却介质为 20的静态 N32 淬火油。2.3.4 淬火工艺曲线图40Cr钢的热处理工艺曲线图如图2.2所示。图2.2 40Cr淬火工艺曲线图3 ANSYS有限元软件3.1 ANSYS简介1970 年，John Swanson 博士创建了ANSYS公司，致力于设计分析软件的开发，早期的ANSYS 程序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。20世纪70 年代初， ANSYS 程序发生了很大变化，逐渐增加了 非线性计算功能、更多的子结构和单元类型等技术。20世纪70 年代末，图形交互方式的加入是该程序最为显著的变化，它极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析更加直观和可视化，程序不仅仅是求解器，同时提供前后处理器。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料以及边界条件；在分析完成后计算结果的图形显示可立即用于分析和检验。随着分析技术的不断发展，许多新的设计分析的概念和方法不断充实到程序中，程序推出微机版程序，使得普及该应用取得巨大的成功，经历了4X、5X、6X到今天的ANSYS14.0，ANSYS程序的功能不断丰富，更加完善，求解的速度越来越快、规模越来越大、操作也越来越方便，便于学习和运用，受到国内外工程技术人员的欢迎。三十年以来，该公司紧跟着计算方法和计算机技术的更新，领导着有限元界发展的趋势，使得该软件形成了强大的分析功能。此程序能够具有同时分析结构、热、流体、电磁等高级多物理场的耦合分析功能，先进的多物理场祸合分析技术现在世界范围内首屈一指15。各独立物理场的分析功能包括各种结构的静动力线性或非线性分析、温度场和稳态或瞬态分析及相变、计算流体动力学分析等等15。除此之外，该程序还提供目标设计优化、概率有限元设计、二次开发技术参数设计语言、用户图形界面设计语言以及用户可编程特性、子结构、子模型、单元生死、疲劳断裂计算等先进技术。今天该程序的功能更加强大，使用也更加便利。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6。且其操作界面友好， 易于掌握，可以随心所欲地选择图形用户界面方式或命令流方式进行计算， 同时具有强大的网格划分功能和强大的结果后处理功能。在ANSYS 公司推出的众多产品中，共有五种产品可以进行热分析，分别为：ANSYS/ Multiphysics、ANSYS/ Mechanical、ANSYS/ Thermal、ANSYS/ ELOT RAN、ANSYS/ ED6。自1996年该软件落户中国以来，ANSYS以其强大功能、可靠质量、良好的市场开拓，得到了中国CEA界的广泛认可，被应用于土木工程、机械制造、汽车工业、水利工程、航空航天、石油化工等许多方面，为各行业的设计研究做出了重要贡献16。3.2 ANSYS主要模块介绍ANSYS软件包括三大主要模块：前处理模块、分析计算模块和后处理模块17，如图3.1所示。图3.1 ANSYS包括三大主要模块（1） 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。（2） 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，具有灵敏度分析和优化分析能力。（3） 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（可以看到结构内部）等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或者输出。3.3 ANSYS有限元分析流程与ANSYS软件构架对应的是，典型的ANSYS分析流程分为如下3个阶段17。（1） 建立有限元模型（前处理器，Preprocessor）创建几何模型（CAD导入或者在ANSYS中建立）。定义单元、材料属性。划分网格。（2） 加载与求解（求解器，Solution Processor）施加载荷与其他边界条件。求解。（3） 查看与处理结果（后处理器，Post Processor）查看分析结果。导出结果数据。判断结果的合理性。3.4 淬火冷却过程数学模型3.4.1 热传导方程的建立按传热方式可以把传热分为三种：热传导、对流和热辐射，它们既可以单独存在，也可以同时发生18。所以，实际的传热问题都很复杂，不容易求解。因此对待具体问题，首先要建立数学模型，其实质就是尽可能将传热问题方程进行简化。对于一切不包含流场项的传热现象都可以用传热通用方程和反映传热体与环境交互关系的边界条件描述。对于三维圆柱坐标系，坐标变量用表示，热传导方程如式3.1所示19：式中：36 -材料的密度-等压比热容-热传导系数T-温度t- 时间q-材料的内热源强度，此处为相变潜热。在直角坐标系下，三维热传导的微分方程如式3.2所示20：式中：T -温度场分布函数； -热导率 -材料的密度-比热容 -相变潜热对于淬火过程来说，比热容和热传导系数与材料淬火过程的温度有关。3.4.2 初始条件工件淬火冷却时的初始条件，是指工件淬火冷却前的初始温度分布情况温度场和淬火介质的初始温度，是已知的，是该温度场及介质初始温度数值模拟的出发点21。淬火冷却过程模拟的初始条件一般都忽视其加热过程，即假定淬火前的加热是整体均匀透烧、初始温度为均匀温度场、初始的应力为零22。在对工件进行淬火冷却前，工件的初始温度场是均匀的，如工件从室温装炉开始加热，或加热到给定温度，长时间保温使工件内部均匀热透，此时（式3.3所示）：式中：为己知温度，是常数初始温度场也可以是不均匀的，但工件各点温度值是已知的，此时（式3.4所示）：式中：为已知温度函数21。3.4.3 边界条件在对工件进行淬火冷却时，淬火工件和周围环境含淬火介质在热能量的传播上含热传导和热交换等是一个整体体系，淬火过程中同时存在着热辐射、工件和淬火介质内部的热传导、工件与介质间的热交换等热量的传播现象15。工件淬火时的边界条件是指淬火工件外表面与周围环境含淬火介质的热交换情况，即工件外表面与周围环境含淬火介质的表面换热情况22。在传热学上一般将边界条件归纳成三类。第一类边界条件：是指工件边界上的温度或温度函数为已知，用下公式3.5表示为21：式中，下标s-工件边界范围； -已知的工件表面温度，为定值； -己知的工件表面的温度函数，并随时间、位置的变化而变化； -坐标值； -时间。第二类边界条件：是指给出边界上变量的法向导数，对传热问题就是在物体某一边界上，热流密度已知，如下式3.6所示21：式中：-已知的工件表面热流密度，为定值； -已知的工件表面热流密度函数，时间、位置的变化而变化。第三类边界条件，又称牛顿对流边界，是指工件与其接触的流体介质间的对流换热系数从和介质温度界为已知，其表达式3.7为21：式中：-综合对流换热系数 (J/(m2) ； -与固体产生对流换热的流体温度 () 。在模拟淬火冷却过程温度场时，将上述三类边界条件统一用第三类表达式表示。4 基于ANSYA的淬火温度场的数值模拟某圆柱体零件材质为40Cr钢，零件尺寸为。将其加热到 ， 保温， 在（室温）油中淬火, 用ANSYS 软件模拟：（1）40Cr钢淬火 、的温度场分布；（2）40Cr钢圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周任一点温度场变化随时间变化的关系。淬火过程属于瞬态热分析问题。图4.1为钢件的实体图，图4.2为钢件截面图，A、B、C点分别为圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周一点。图4.1 钢件的实体图 图4.2 钢件截面图4.1 定义单元类型单元可定义的性有如下几种：单元类型、实常数、材料特性17。在ANSYA单元库中约有三百种不同的单元类型可供选择。按照其应用场合可分为结构单元、热单元、电磁单元、流体单元、网格划分辅助单元、耦合场单元、LS-DYNA单元，按照其可用的维度可分为平面单元（二维）、空间单元（三维）17。每一个单元类型都具有惟一的编号和一个标识单元类别的前缀，如LINK1、OLID5等。单元类型决定了单元的自由度以及单元是在二维空间还是三维空间内，在实际选用单元类型时需要考虑以下两个方面的内容15：（1）首先需要确定自由度是否相容，根据自由度的不同可选择的单元有线、面或三维实体的单元类型；其次还需要决定采用线性、四面体或P单元。线性单元和非线性单元之间明显的差别就是线性单元只存在“中间节点”，而高阶单元不存在“中间节点”。线性单元内的自由度按线性变化，二次单元内的自由度是二阶变化的，P阶单元的自由度是从2阶到8阶变化的，而且具有求解收敛自动控制功能，自动确定在各位置上分析应当采用的阶数；（2）在淬冷温度场分析中，单元确定还要考虑以下几个因素，首先，单元必须要能够进行热分析；其次，所选的单元还应能够进行瞬态非线性分析；最后还应能进行工件内部应力分析，即热一结构祸合分析。根据这些要求，本课题属于瞬态热分析问题，选择单元类型为Quad 4node 55。4.2 单元的材料特性绝大多数单元类型都需要材料特性。根据应用的不同， 材料特性可以是线性或非线性。线性材料特性可以是常数或温度相关的， 各向同性或正交异性的， 对各向同性材料只需指定其一个方向的特性。非线性材料特性通常是表格数据， 如塑性数据、磁场数据、蠕变数据等。瞬态热分析需要定义材料的比热容、热导率、密度，其数值查手册。40Cr钢材料性能参数如表4.1、表4.2、表4.3所示。（1） 泊松比与弹性模量如下表4.1所示： 表4.1 常用钢铁材料的弹性模量与泊松比23名称弹性模量切变模量泊松比镍铬钢、合金钢20679.380.250.30碳钢196206790.240.28铸钢172202-0.3球墨铸铁1401547376-灰铸铁、白口铸铁113157440.230.27可锻铸铁152-根据上表可得：；E=206（2） 线性膨胀系数如下表4.2所示：表4.2 40Cr材料的线膨胀系数23温度线膨胀系数2010011.02020012.02030012.22040012.92050013.5根据表4.2可得40Cr的线膨胀系数为：（3） 密度：40Cr在20时（4） 导热系数和比热容如下表4.3所示：表4.3 40Cr热物性数据24温度热扩散率 ， 比热容，导热系数，200.114346741.841000.106249140.882000.095852739.583000.085156537.694000.073861135.355000.060567832.156000.046178726.447000.0299105024.617650.02401423(26.77)8000.033067217.389000.044463422.0710000.048964924.88（5） 综合换热系数淬火冷却介质换热系数又称为表面换热系数，是指在单位时间、单位面积内，当工件表面和淬火介质流体之间的平均温度差为1时，两者之间所传递的热量25。在淬火冷却过程中，工件和淬火介质之间存在较为复杂的热量交换，包括对流和辐射等多种换热形式。所以，淬火冷却介质换热系数是一个表示在淬火过程中工件与介质接触表面间进行各种形式换热的综合当量系数，用h表示25。工件淬火后的质量及力学性能与淬火介质的冷却能力有着密切关系。为了正确地选择和使用淬火介质，使工件淬火后能得到预期性能，对各种淬火介质的冷却能力进行研究是非常必要的25。目前常用的评定淬火介质冷却能力的方法有很多，但普遍采用的是冷却曲线法和表面换热系数法。冷却曲线反映探头内部温度随时间的变化，而表面换热系数h反映了淬火介质与工件表面热量传递的速率。与冷却曲线相比，表面换热系数更能够直接地反映淬火介质冷却能力的变化，是比较各种淬火介质冷却能力的定量准则。用h-T的关系曲线来评定淬火介质的冷却能力被认为是对淬火介质冷却能力客观、直接、同时也是充分的评定方法25。随着技术的发展，数值模拟技术越来越广泛地应用于淬火过程中。淬火过程的计算机模拟有助于淬火工艺的设计，并且可以大大减少实际试验工作量，有很高的实用经济价值。模拟软件包括有ANSYS、MARC、ABAQUS等通用有限元软件，还有HEARTS、DEFORM-HT、TRAST、NSHT等专用软件25。h是淬火过程温度场边界条件的重要参数，其准确性直接影响温度场模拟的计算精度，进而影响到应力场和组织场的模拟结果，所以h的精确测定是淬火过程数值模拟的关键所在。同时，在以上这些软件中淬火冷却介质的换热系数数据非常匮乏，已经成为制约淬火过程模拟实用化应用的重要限制因素。因此，对于淬火冷却介质换热系数的测量、计算和应用已经日益引起研究人员的重视。4.3 建立模型建立实体模型，首先要对分析对象有清晰的了解，根据要建立的模型的复杂程度，可将其分为三大类。简单的分析对象指仅有点、线、面的简单组合，只需要确定各关键点的位置，连接得到线，线围成面，面围成体即可得到相应的模型。较复杂的模型包含大量的几何体，互相通过加、减或组合结合在一起，但所包含的几何体均为基本的易描述的几何形体，如矩形、长方体、圆柱、球等。更为复杂的模型除了包含大量的基本几何形体之外，还含有复杂曲面，这些复杂曲面可能是通过实验获得，可能由复杂的公式控制其形态，难以进行精确地描述，如汽车、飞行器等的曲面。针对不同的复杂程度的模型，采用不同的实体建模方法进行处理17。自底向上法（Bottom-up Method）：由最基本的元素开始，由点到线，由线到面，由面到体的方法。对于简单的分析对象，可以先建立点，由点连成线，再由线围成面，最后由面积围成体的方法建立有限元模型。例如桁架结构，可以全部分解为节点与连杆，建立模型时可以先定义所有节点的位置，然后连接点为线即可得到相应的模型17。自顶向下法（Top-down Method）：较复杂的模型包含大量的几何体，用户首先应对模型进行分析，明确其由哪些基本图形通过相互加、减或组合（即布尔运算，Boolean Operation）17。外部程序导入：用户在实际工程应用过程可能会遇到根伟复杂的模型，包含大量复杂曲面，ANSYS软件本身有限的建模功能不足以满足用户建立复杂模型的需求；在许多场合中用户已用CAD软件完成了产品的设计，需要在ANSYS中进行分析，这样的情形下通常只需要把分析的对象的几何模型导入到ANSYS中即可，充分发挥专用CAD软件与ANSYS在各自领域内的强项，利于提高用户的工作效率17。通常导入ANSYS有两种有效途径，即采用通用图形交换格式或采用CAD接口。本课题所用钢件属于轴对称图形，根据对称性原理，计算模型只取1/2截面。利用模型扩展功能，可以得到材料的整体模型。如下图4.3所示：图4.3 1/2截面的模型4.4 网格划分网格划分控制是分析过程中的重要环节，这一阶段的设置决定了生成的有限元模型在分析时能否满足精度与经济性的要求17。这一阶段的控制主要有单元尺寸控制、网格类型控制。ANSYS中划分网格的方式主要有两种，分别为自由网格划分和映射网格划分16。自由划分的网格对单元形状没有任何限制，并且没有特定的准则。用这种方式划分的网格排列不规则，可以应用于具有不规则几何形状的模型或者是需要网格过渡的区域。但是这种划分相对单元数目较多，分析时间长，精度较低。映射网格划分对包含的单元形状有限制，通常映射面网格只能包含四边形或者三角形单元，映射体网格也只包含六面体单元。用映射网格划分方式得到的网格具有规则的几何形状，而且它对载荷的施加和收敛的控制相当有利。因而,在实际应用中一般优先选用映射网格划分，当不能用映射网格划分时则考虑选用自由网格划分作为补充。在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算效率息息相关。网格划分得越细，计算精度的越高，所花费的计算时间就越长，反之，计算精度就变低，所花费的时间就越短。而且，网格的划分细到一定的程度，计算精度的变化会较小甚至不发生变化。本文采用映射网格划分方法，单元的大小设置为默认设置，划分网格后可得（如图4.4所示）：图4.4 网格划分后模型4.5 定义边界条件完成有限元模型的建立后，就可以根据结构在工程实际中的情况为模型施加边界条件与载荷，以此模拟实际工况中结构的受力情况。ANSYS中的加载包括了施加边界条件与作用力17。这里提到的力、载荷、边界等概念均为广义概念，不同学科中载荷的概念均不相同，位移、力、力矩、温度、电压等物理量均可以作为载荷进行施加。ANSYS中的载荷分为六类，分别为：自由度约束（DOF，Degreess of Freedom）；集中载荷（Concentrated Loads）；面载荷（Surface Loads）；体积载荷（Body Loads）；惯性载荷（Inertia Loads）；耦合场载荷（Coupled-field Loads）16。本课题施加的是对流换热载荷，设置的热分析类型是瞬态热分析，淬火时间点分别设置为 、，设置为。淬火终止温度为（室温），对流传热系数根据表4.4可得：h=63026。表4.4 淬火介质的换热系数（N32 淬火油）温度/100200300400500600700850换热系数/4701020162016801950162011806304.6 求解及结果分析4.6.1 油冷过程某些时刻温度场分析设置好边界条件后, 点击，即可求解成功。然后选取，读取加载求解后工件在油冷过程结束情况下的温度场分布。结果如下图4.5所示：图4.5 600s时（结束时刻）的温度场分布（单位：）然后选取，读取加载求解后工件在油冷情况下 、的温度场分布。下图4.64.13分别为工件油冷情况下 、的1/2、1/4截面的温度场分布：图4.6 油冷 时1/2截面的温度场分布（单位：）图4.7 油冷 时1/4截面的温度场分布（单位：）图4.8 油冷 时1/2截面的温度场分布（单位：） 图4.9 油冷 时1/4截面的温度场分布（单位：）图4.10 油冷 时1/2截面的温度场分布（单位：）图4.11 油冷 时1/4截面的温度场分布（单位：）图4.12 油冷 时1/2截面的温度场分布（单位：）图4.13 油冷 时1/4截面的温度场分布（单位：）4.6.2 油冷过程某些特定位置温度随时间变化曲线图执行，读取加载求解后工件在某些特定位置的冷却曲线。下图4.144.17分别为工件的圆柱体中心点(A点)、上底面圆心点（B点）、上底面圆周一点(C点)随时间变化的曲线图：图4.14 C点的冷却曲线图4.15 B点的冷却曲线图4.16 A点的冷却曲线综合A、B、C三点冷却曲线可得，如下图4.17所示：图4.17 油冷时A点、B点、C点随时间的冷却曲线4.6.3 模拟结果分析由设定的求解条件可以得到淬火600s内零件各部分的温度场分布，并可模拟温度场随时间的动态变化过程。在油冷过程中，零件在不同时刻的温度场如图4.64.13所示。可看出，在淬火油冷过程中随时间的延长，零件温度迅速降低，而零件各部分温度下降速率不同，零件上下底面边缘及表面区域温度低于零件中间区域，即边角处温度下降最快，中心处温度变化相对缓慢。油冷6s时，零件边缘最低温度为603，靠近零件中间区域最高温度为837；油冷18s时，零件边缘最低温度为450，靠近零件中间区域最高温度为742；油冷30s时，零件边缘最低温度为358，靠近零件中间区域最高温度为631；油冷60s时，零件边缘最低温度为218，靠近零件中间区域最高温度为405。零件不同部位的温度差异是产生淬火残余应力及由此导致零件变形、开裂报废的主要原因。分别对A、B、C三结点处进行研究，考察其温度随时间变化情况，如图4.144.17所示。C点由于处于零件的外边缘上，其降温过程中受零件其他部分的热影响小，在油冷过程中温度下降最快。因而在油冷刚开始时，温度下降极为迅速。B点由于处于零件的上底面外中心，其降温过程中受零件其他部分的热影响较C点来说较大，在油冷过程中温度下降速度小于C点。A点由于处于零件的中心，其降温过程中受零件其他部分的热影响大，在油冷过程中温度下降最慢。因而在油冷刚开始时，温度下降极为缓慢。由图4.17可知，最大冷速出现在冷却中期，此时边缘与心部温差超过250。5 总结5.1 论文撰写过程总结在本文的整个撰写过程中，首先进行了收集资料工作，并在论文撰写过程中不断收集查阅新的文献，文献内容涉及工程材料、热处理原理与工艺、有限元基础、ANSYS14.0软件等方面，类型涉及期刊、著作、标准等。在对课题进行充分分析之后开始了论文的撰写工作，首先制定了一套热处理工艺，然后对其进行拆解工作，与此同时查阅热处理先关工艺资料，对材料的组织结构等进行了解，之后对其工艺的一些细节问题进行制定，以上为本文第二章内容。在本文第三章主要是对ANSYS进行了简要介绍，包括主要模块以及处理工程问题的一般流程。第四章主要内容为淬冷过程的数学模型的概述，包括热传导方程、初始条件以及边界条件的简介等。之后在本文的第五章主要是对设计课题进行软件模拟，并对结果进行分析。5.2 课题研究得出结论（1）油冷过程中零件不同部位存在着较大的温度差，其中在零件的心部区域温度下降速度最小，数值模拟的结果符合生产实际。（2）在淬火油冷过程中随时间的延长，零件温度迅速降低，而零件各部分温度下降速率不同，零件上下底面边缘及表面区域温度低于零件中间区域，即边角处温度下降最快，中心处温度变化相对缓慢。零件不同部位的温度差异是产生淬火残余应力及由此导致零件变形、开裂报废的主要原因。5.3 展望应用ANSYS有限元程序进行温度场数值模拟的研究应经取得了 一定的进展，但是还远远没有结束，还需要进行进一步研究的方面主要有：（1）有限元法的应用与电子计算机紧密相关，它与计算机质量与速度取决于计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。（2）材料的热物理学性能参数数据库，还有待于进一步发展，有待于通过实验进一步丰富。（3）有限元法作为一种计算方法已经达到了成熟的程度，但在具体应用中还有不小的差距，特别是对于一些复杂的问题。如对潜热、辐射、对流、等离子、反射灯其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展，但还不能十分令人满意，需进进行更深入的研究和开发。（4）目前在许多有限元通用程序中，增加了前、后处理功能，网络能自动生成或分割，有利于更广泛的应用与推广。尽管结构的网络分割与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但还不能全靠计算机实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的要求来决策。在输入数据中，如有差错，且未被发现，将会导致错误计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦。对于输出数据的整理与判断也是很费时间与精力的。因此在这方面还必须进一步减轻手工的、费时的、烦琐的、易出错的工作。（5）表面换热系数的测算还很不精确换热系数是温度