20钢圆柱体水淬过程温度场模拟

20钢圆柱体水淬过程温度场模拟摘要：20钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好，一般用于制造受力不大而韧性要求高的零件。利用ANSYS软件，创建几何模型、划分网格、加载求解等过程模拟20钢温度场的变化，得出20钢加热过程、冷却过程的温度场分布图；拾取20钢圆柱体具有代表的特殊点，得到20钢圆柱体整体温度随时间变化的曲线，分析了20钢热处理前后组织和力学的变化。结果表明，在加热与冷却过程时，圆柱体的圆形边上温度最先发生变化。关键词：20钢，有限元分析，热处理，温度场Processof20steelcylinderwaterquenchtemperaturefieldsimulationAbstract:20high-qualitylow-carbonsteeliscarbonsteel,coldextrusion,carburizinghardenedsteel.Thesteellowintensity,toughness,ductilityandweldabilityaregood,generallyusedformanufacturinglargediscontinuitytoughnessdemandingparts.ByusingANSYSsoftware,throughfoundationprocessessuchascreatingageometricmodel、divisiongrid、loadsolutionandsoontocarriesonthesimulationtothe20steeltemperaturefield,itisconcludedthat20steelheatingprocess,thedistributionoftemperaturefieldincoolingprocess.Selectspecificpointson20steelcylinder,Gotawhole20steelcylindertemperatureversustimecurveswereanalyzedbeforeandaftertheheattreatmentofsteelchanges20organizationsandmechanics.Theresultsshowedthat,intheheatingandcoolingprocess,thetemperatureofthefirstsideofthecircularcylinderchange.Keywords：20steel，FEA，Heattreatment，temperaturefield，目录1绪论11.1设计研究的目的及意义11.2国内外淬火模拟领域研究动态22有限单元法概述42.1有限元基本原理42.1.1物体离散化42.1.2单元特性分析42.1.3单元组集52.1.4求解未知节点位移52.2ANSYS软件62.2.1ANSYS简介62.2.2ANSYS的发展62.2.3ANSYS的功能63数值模拟过程93.1瞬态热分析的基本步骤93.1.1建模93.1.2施加载荷并计算93.1.3后处理103.2数值模拟的内容103.2.1材料及参数的选择103.2.2加热温度的选择113.2.3建模123.2.2加热过程求解153.2.3水淬过程求解193.2.4后处理204结果与分析234.120钢圆柱体加热过程234.220钢圆柱体水淬过程285展望32结论33参考文献34致谢3511绪论在材料科学研究中除基础理论研究以及试验研究外，计算机模拟计算研究已经成为解决材料科学中实际问题的第三种重要方法。数值模拟就是利用计算机程序求解数学模型的近似解，可以理解为用计算机进行实际试验。数值模拟用到的数值解法主要有差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法等。其中有限元法被人们广泛应用，在众多的有限元软件中，ANSYS是融结构、热力学、流体电磁和声学等于一体的大型通用软件，其作为一个较完善的数值模拟通用软件已成功地应用于很多领域。通过ANSYS友好的用户界面，可以方便地构建有限元模型，在分析处理模块中，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1。对20钢进行水淬温度场模拟，避免了只根据经验进行试验而造成的人力财力的浪费，因此对20钢水淬过程温度场模拟是很有价值的。1.1设计研究的目的及意义1).钢铁材料虽不属高科技的先进材料，但因具有优良的力学性能、工艺性能和低的成本，使其在21世纪中仍将占有重要地位，其他种材料如高分子材料、陶瓷或复合材料可能会少量地代替金属材料，但钢铁材料的应用不可能大幅度衰减2。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容3。2).通过对20钢的热处理，改变了20钢的金相组织。材料的性能取决于其内部结构，只有改变了材料内部结构才能达到改变或控制材料性能的目的，所以材料的制备和加工工艺常常对材料性能起着决定性作用4。3).对20钢进行淬火，使过冷奥氏体进行马氏体和贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足2各种机械零件和工具的不同使用要求5。4).通过利用ANSYS软件对水淬过程温度场的进行了数值模拟，节点等值线图可以清晰直观地反映水淬过程任意时刻，任意节点的温度场分布。数值模拟的结果符合生产实际并且运算速度较快。该方法明显优于传统的人工测量和经验判断方法。为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据6。5).淬火过程中的温度场直接影响到金属及合金的热应力分布，而用实验的方法得到淬火冷却时整个零件的温度分布情况是十分困难的7。随着计算机技术的发展和数值计算的广泛应用，计算机模拟(或称数值模拟)得到了迅猛发展。淬火冷却过程的计算机模拟就是利用计算机求解各场量的数值解。这种数值模拟虽然不能直接给出组织分布，应力分布与工艺参数的函数关系，但是它能对工件的温度场、组织场和应力场进行耦合计算，给出每一瞬间的温度场、组织场和应力场的分布，并且直接地观察到各场量在淬火过程中的变化情况8。1.2国内外淬火模拟领域研究动态热处理过程是一个复杂的系统，目前的研究只能达到逼近有效和某种程度上的复制及预测。国外在热处理计算机仿真领域的研究起步较早，成果较多。F.M.B.Fenrnades等人建立了相当严密的数学模型并对钢淬火冷却过程中相变的数学计算进行了深入的探讨。B.Bucmhyar和J.S.Kiarldy也研究出了一套仿真低合金钢在淬火冷却过程中的温度场和相变行为的系统，其主要特点是温度场和微观组织分布的计算之间实现了循环修正(耦合)。JiWoongJang和In-Wook等对淬火变形进行了模拟预测。TamasReti和ZoltnaFride等用多相转变模型模拟了钢的淬火过程。A.Ynaez、J.c.Alvarez等用大型通用商业有限元软件ANSYS对激光淬火过程的温度场分布进行了模拟。我国开展热处理数值模拟工作较晚。首先，是一些访问学者和留学生在国外留3学时开展了这方面的研究。进入80年代后，国内一些大专院校和科研单位、企业才陆续开展这方面的工作。近10年来国内外学者在热处理计算机仿真领域进行了大量的研究。清华大学的刘庄、吴景之等对热处理数学模型进行了深入的探讨，出版了热处理过程的数值模拟一书。上海交大的潘健生、胡明娟等模拟了P20大锻件淬火的温度场、显微组织场及力学性能等，特点是考虑了相变潜热、热物性参数的非线性对温度场的影响；此外还对界面突变的淬火过程进行了研究。大连理工大学的张立文等用有限元法对35CrMo大锻件淬火过程的瞬态温度场进行了计算研究。昆明理工大学的谢建斌和何天淳等研究过淬火时的过冷沸腾边界和相变的热传导问题。燕山大学的陈乃录、高长银等对水、油等淬火介质的动态冷却特性及换热系数进行了研究。这些成果都显著推动了我国在这一领域的研究进展，并对实际的生产应用产生了积极的影响。当前淬火过程数值模拟的研究主要可以分为经验公式计算和有限元法模拟两大类9。42有限单元法概述2.1有限元基本原理有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域如飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值计算方法，随后很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限单元法分析计算的思路和作法可归结如下(这里主要以静力学分析为例)：2.1.1物体离散化将某个工程结构离散为有各种单元组成的计算模型，这一步称作单元的剖分。离散后单元与单元之间利用节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述的变形形态和计算精度而定(一般情况,单元划分越细则描述问题情况越精确，即越接近实际，但计算量越大)。所以有限元法分析的对象已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散体。这样，用有限单元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况越相符合。2.1.2单元特性分析5（1）选择位移模式。在有限单元法中，位移模式有位移法、力法和混合法。其中，位移法应用范围最广，即选择节点位移作为基本未知量。当采用位移法时，物体或结构物离散之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法将位移表示为坐标变量的简单函数。（2）分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时，需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。（3）计算等效节点力。物体离散后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。2.1.3单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体有限元方程:Kq=f(2-1)式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。62.1.4求解未知节点位移解有限元方程式(2-1)得出位移，这里可以根据方程组的具体特点来选定合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，“分”是为了进行单元分析，“合”则为了对整体结构进行综合分析9。图2.1为一般有限元分析计算流程。2.2ANSYS软件2.2.1ANSYS简介ANSYS软件是融合结构、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、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到工作站直到巨型计算机，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成本，如：热结构耦合、磁结构耦合以及电磁流体热耦合，在PC上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。2.2.2ANSYS的发展7ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括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、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供导航。2.2.3ANSYS的功能1.结构分析静力分析用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大应变、应力钢化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。模态分析计算线性结构的自振频率及振形，谱分析是模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变（也叫做响应谱或PSD）。谐响应分析确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。瞬态动力学分析用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状（结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析）专项分析断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。8专项分析用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法。2.ANSYS热分析热分析一般不是单独的，其后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析包括以下类型。相变（溶化及凝固）金属合金在温度变化的相变，如铁合金中马氏体与奥氏体的转变。内热源（例如电阻发热等）存在热源问题，如加热炉中对试件进行加热。热传导热传递的一种方式，当相接触的两物体存在温度差时发生。热对流热传递的一种方式，当存在流体、气体和温度差时发生。热辐射热传递的一种方式，只要存在温度差时就会发生，可以在真空中进行。3.ANSYS电磁分析电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析包括以下类型。9静磁场分析计算直流电（DC）或永磁体产生的磁场。交变磁场分析计算由交于交流电（AC）产生的磁场。瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。电场分析用于计算电阻或电容系统的电场。典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等。4.ANSYS流体分析流体分析主要用于确定流体的流动及热行为。流体分析包括以下类型。CFD（CouplingFluidDynamic耦合流体动力）ANSYS/FLOTRAN提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流以及多组分流等。声学分析考虑流体介质与周围固体的影响。可以确定由于晃动引起的静力压力。流体动力耦合分析在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元。5.ANSYS耦合场分析10耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）11。113数值模拟过程3.1瞬态热分析的基本步骤3.1.1建模（1）确定jobname、title、unit。（2）进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项。（3）定义单元实常数。（4）定义材料热性能参数，对于瞬态热分析，除材料导热系数的定义之外，还需要定义材料的密度和比热容。其数值可以是恒定的，也可以随温度变化。（5）创建几何模型并划分网格。3.1.2施加载荷并计算（1）定义分析类型：如果进行新的热分析，则执行MainMennuSloutionAnalysisTypeNewAnalysis，选中Transient。如果增加边界条件后继续上一次分析，则执行MainMenuSloutionAnalsisTypeRestart。（2）为分析建立初始条件；瞬态热分析的初始条件来自于为所有节点设定初始温度，或者一个稳态计算的结果。初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效。12（3）设置其他边界条件和载荷；包括在实体模型或有限元模型上施加温度、热流率、对流、热流密度和热生产率等5种载荷。（4）设置载荷步和载荷施加方式。（5）定义通用选项。（6）定义非线性选项。（7）输出控制。（8）进行计算。3.1.3后处理后处理分为通用后处理和时间-历程后处理12。3.2数值模拟的内容3.2.1材料及参数的选择（1）20钢的性质20号钢，含碳量为0.2%，该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、深碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为253-500MPa，伸长率24%。密度是7.85，无冲击韧度。查资料得20号钢的相变点温度（近似值）Ac1=735，13Ac3=855，Ar3=835，Ar1=680。（2）20钢的应用冷变形塑性高，一般供弯曲、压延用，为了获得好的深冲压延性能，板材应正火或高温回火；用于不经受很大应力而要求很大韧性的机械零件，如轴套、螺钉、杠杆轴、变速箱变速叉、齿轮、重型机械拉杆、钩环等，还可用于表面硬度高而心部强度要求不大的渗碳于氰化零件。（3）材料的化学成分、力学性能及热物性参数20钢的化学成分、力学性能和热物理参数分别见表3.1、3.2和3.3所示。表3.120号钢的化学成分化学成分(重量百分比)Chemicaicomposition(WT%)碳(C)锰(Mn)磷(P)硫(S)镍(Ni)铬(Cr)硅(Si)铜(Cu)20号钢0.170.240.350.650.0400.040.250.250.170.370.25品名14表3.220号钢的力学性能机械性质Mechanicaiproperities硬度(HB)抗拉强度(Mpa)屈服强度(Mpa)伸长率%面积缩减%冲击功(J)热轧钢1564202502555无表3.320钢的热物理性能数据表10温度10020030040050060070080010001200热导系数50.6648.5742.2841.0337.6834.3331.427.6330比热450469536569648695700密度7800/m33.2.2加热温度的选择淬火是将钢或合金加热到临界温度Ac1(过共析钢)或Ac3（亚共析钢）以上3050，保温一定时间，使钢的组织全部或大部分奥氏体化，然后在水或油等介质中快速冷却，以得到高硬度的淬火马氏体组织的一种工艺方法,淬火可以提高钢的硬度和耐磨性、提高弹性、提高强韧性、提高耐蚀性和耐热性。15总之，钢的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性、疲劳强度等等，都可以利用淬火与回火使之大大提高，所以，淬火是强化钢铁的主要手段之一。查资料得20号钢的相变点温度（近似值）Ac1=735，Ac3=855，Ar3=835，Ar1=680，20钢属于亚共析钢，故将试样加热到890，然后保温。3.2.3建模（1）执行UtilityMenuFileChangeJobname命令，出现ChangeJobname对话框。在Enternewjobname文本框中输入工作文件名125011308，单击OK按钮关闭该对话框。（2）执行MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete命令，出现ElementType对话框，单机Add按钮，出现LibraryofElementTypes对话框。按照图3.1选择4节点二维热实体PLANE55，单击OK按钮关闭该对话框。163.1LibraryofElementTypes对话框（3）在ElementType对话框中选择如图3.2中的1，打开PLAN55elementtypeoptions对话框后点选下拉菜单2，选择轴对称Axisymmetric选项，单击OK按钮并关闭ElementType对话框。图3.2设定单元选项（4）定义材料热性能参数执行MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels命令17出现DefineMaterialModelBehavior对话框，点选Thermal出现如图3.3所示。图3.3定义材料性能参数选项点选Density后在DENS对话框中输入7800后单击OK。由于20钢导热系数与比热容随温度变化而变化，故在设置时需要添加温度。点选ConductivityIsotropic后点击AddTemperature添加温度，按照表3.3设置20钢的导热系数，其中Temperatures为温度，KXX为导热系数。点选SpecificHeat后点击AddTemperature添加温度，按照表3.3设置20钢的比热容，其中Temperatures为温度，C为比热容。设置完成后关闭对话框。（5）由于模拟采用的是20钢圆柱体模型，形成的温度场是轴对称的，因此，对计算模型进行简化，取圆柱体纵截面的1/4进行分析，这样可以大大节省计算时间且不会影响结果的精度。执行MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangleByDimensions命令，出现CreateRectanglebyDimensions对话框。参照图3.4对其进行18设置，单击OK按钮关闭该对话框。图3.4生成矩形面对话框执行MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsManualsizeGlobalSize，弹出GlobalElementSizes对话框，在SIZEElementedgelength项输入0.0005，单击OK按钮，设置网格密度。执行MainMenuPreprocessorMeshingMeshAreasFree,弹出拾取对话框，单击刚刚建立的矩形，所得有限元模型如图3.5所示。19图3.5所得有限元模型3.2.2加热过程求解（1）设置新的瞬态热分析，MainMennuSloutionAnalysisTypeNewAnalysis，选中Transient。单击OK按钮，弹出TransientAnalysis对话框，接受默认设置，单击OK按钮。（2）输出控制，MainMennuSloutionAnalysisTypeSolnControls,弹出如图3.6所示的SolutionControls对话框，并按照图3.6设置完成后单击Transient对话框，在Transienteffects选项前打勾并单击OK关闭对话框。20图3.6输出控制对话框执行MainMennuSloutionAnalysisTypeAnalysisOptions命令，出现FullTransientAnalysis对话框。在EQSLVEquationsolver下拉列表框中选择jacobiConjGrad选项，在TOFFSTTemperaturedifferencebetweenabsolutezeroandzeroofactivetempscale选项中填写273后按OK关闭对话框。执行MainMennuSloutionLoadStepOptsTime/FrequencTime-Timestep，弹出如图3.7所示的TimeandTimeStepOptions对话框，并按图3.7设置。（3）施加初始温度，执行MainMennuSloutionDefine21LoadsApplyThermalTemperatureUniformTemp命令，出现UniformTemperature对话框，在文本框中输入20，单击OK按钮关闭该对话框。图3.7TimeandTimeStepOptions对话框（4）施加边界条件，执行MainMennuSloutionDefine22LoadsApplyThermalConvectionOnNodes，出现ApplyCONVonNodes对话框，选择BOX，并选择矩形的顶边与右边上的所有点，然后单击OK出现ApplyCONVonNodes对话框，输入结果如图3.8所示。（5）求解，执行MainMennuSloutionSolveCurrentLS。图3.8施加对流载荷对话框23图3.9输出控制对话框3.2.3水淬过程求解（1）设置新的瞬态热分析，MainMennuSloutionAnalysisTypeNewAnalysis，选中Transient。单击OK按钮，弹出TransientAnalysis对话框，接受默认设置，单击OK按钮。（2）输出控制，MainMennuSloutionAnalysisTypeSolnControls,弹出如图3.6所示的SolutionControls对话框，并按照图3.9设置完成后单击Transient对话框，在Transienteffects选项前打勾并单击OK关闭对话框。执行MainMennuSloutionAnalysisTypeAnalysisOptions命令，出现FullTransientAnalysis对话框。在EQSLVEquationsolver下拉列表框中选择jacobiConj24Grad选项，在TOFFSTTemperaturedifferencebetweenabsolutezeroandzeroofactivetempscale选项中填写273后按OK关闭对话框。执行MainMennuSloutionLoadStepOptsTime/FrequencTime-Timestep，弹出如图3.10所示的TimeandTimeStepOptions对话框，并按图3.10设置。图3.10TimeandTimeStepOptions对话框（3）施加初始温度，执行MainMennuSloutionDefineLoadsApplyThermalTemperatureUniformTemp命令，出现UniformTemperature对话框，在文本框中输入890，单击OK按钮关闭该对话框。（4）施加边界条件，执行MainMennuSloutionDefineLoadsApplyThermalConvectionOnNodes，出现ApplyCONVonNodes对话框，选择BOX，并选择矩形的顶边与右边上的所有点，然后单击OK出现Apply25CONVonNodes对话框，输入结果如图3.11所示。图3.11施加对流载荷对话框（5）求解，执行MainMennuSloutionSolveCurrentLS。3.2.4后处理（1）查看温度分布云图，执行MainMenuGeneralPostprocReadResultsByPick，出现如图3.12所示，选择所需要的时间，点击Read，并点击Close关闭对话框。26执行MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourPlotNodalsolu，出现ContourNodalSolutionData对话框，单击NodalSolutionDOFSolutionNodalTemperatureOK，就会显示出所读时间的温度场分布云图。图3.12载荷步选取对话框27图3.13TimeHistoryVariables对话框（2）利用时间-历程后处理器，查看加热过程矩形上特殊点随时间的温度变化，执行MainMenuTimeHistPostpro，出现TimeHistoryVariables对话框，如图3.13。28图3.14AddTime-HistoryVariable对话框单击加号出现图3.14对话框，在如图框1处选择温度为变量，在框2处改变该变量的名字。确定后单击OK，出现NodeforData对话框，拾取矩形上所需要的点后单击OK关闭对话框。单击图3.13中的显示变量曲线，显示所选点随时间的温度变化曲线。294结果与分析4.120钢圆柱体加热过程图4.120钢圆柱体加热5S时温度场分布（摄氏度）图4.1描述的是20钢圆柱体加热5S时圆柱体纵截面上半部分的温度场分布。从图中可以看出，从右上角开始，由外到内依次为红色、橙色、黄色、淡黄色、青色、30浅绿色、绿色、浅蓝色、蓝色，并呈梯形云图分布。其中红色代表的温度范围是24.1809-24.3824，温度最高，蓝色代表的温度范围是22.5693-22.7708，温度最低，其他各色依次由外到内温度逐渐降低。图4.220钢圆柱体加热100S时温度场分布（摄氏度）31图4.320钢圆柱体加热1000S时温度场分布（摄氏度）32图4.420钢圆柱体加热1900S时温度场分布（摄氏度）由图4.1、4.2、4.3、4.4可知，20钢圆柱体加热时的温度场分布图来看，加热初期，20钢圆柱体刚刚放置在加热炉中，温度变化相对明显，其体心温度最低。从圆柱体外部到体心之间形成了呈梯度分布的温度场，与空气接触的外表面温度先升高，而圆柱体体心部分的温度最后升高，说明了20钢圆柱体和空气之间发生了热传导。由于20钢圆柱体的特殊性，选取圆柱体体心点、顶面圆形边上点、顶面圆心点，333个特殊点的温度随时间的变化关系曲线，即可代表20钢圆柱体在加热过程的整体变化。如图4.5，20钢圆柱体3个特殊点加热时温度随时间变化的曲线图，通过看图可知，20钢圆柱体上3个特殊点的变化趋势相同。（a）体心点的温度变化曲线(b)圆柱体圆形边上点的温度变化曲线(c)圆柱体顶面心点的温度变化曲线图4.520钢圆柱体3个特殊点温度随时间变化曲线（摄氏度）34图4.620钢圆柱体3个特殊点前50S加热时温度随时间变化曲线（摄氏度）由图4.6，可以看出20钢在加热时，前50S的温度变化是均匀的，再结合图4.5可知，在20钢加热过程中，整体温度的变化趋势是均匀的。图4.7特殊温度区间温度随时间变化曲线（摄氏度）35由图4.7可以看出，20钢圆柱体加热至890时，大约需要20000S。读取20000S左右的20钢温度场云图如图4.8所示，其温度为889.971，证明了将20钢圆柱体加热至890需要20000S。图4.820钢圆柱体加热20000S时温度场分布图（摄氏度）364.220钢圆柱体水淬过程图4.920钢圆柱体水淬5S时的温度场分布（摄氏度）37图4.1020钢圆柱体水淬100S时的温度场分布（摄氏度）图4.1120钢圆柱体水淬400S时的温度场分布（摄氏度）38图4.1220钢圆柱体水淬1000S时的温度场分布（摄氏度）分析图4.9至图4.12可知，20钢圆柱体水淬初期，20钢圆柱体刚刚放置在水中，温度变化相对明显，其体心温度最高。从圆柱体外部到体心之间形成了呈梯度分布的温度场，与水接触的外表面温度先降低，而圆柱体体心部分的温度最后降低，说明了20钢圆柱体和水之间发生了热传导。(a)体心点的温度变化曲线(b)圆柱体圆形边上点的温度变化曲线(c)圆柱体顶面心点的温度变化曲线图4.1320钢圆柱体特殊点温度随时间的变化曲线（摄氏度）3920钢通过水淬后得到板条状低碳马氏体。这种组织具有板条状形态及位错型结构，具有较高的硬度，良好的塑形和韧性，在淬火状态，强度高而塑性、韧性良好。在静载荷、交变载荷及多次冲击载荷下，缺口敏感性及过载敏感性都较低13。20钢圆柱体3个特殊点温度随时间变化曲线见图4.13图4.14特殊温度区间温度随时间变化曲线（摄氏度）由图4.14可以看出，20钢圆柱体水淬至20时，大约需要2400S。读取2400S左右的20钢温度场云图如图4.15所示，其温度为20.0126，证明了将20钢圆柱体40水淬至20需要2400S。图