45钢热处理水冷过程分析

45钢热处理水冷过程分析摘要:45钢是中碳优质结构钢，Wc=0.45%,冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低廉、较容易得到，因此应用广泛于机械制造。常应用于小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等，其最大不足时淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不适宜采用。对于性能要求较高的零件，必须进行调质处理。对45钢进行调质处理后，得到均匀的回火索氏体，从而使其具有良好的综合力学性能。研究本课题主要是通过实验和ANSYS软件模拟。其中包括对45钢的热处理水淬以及热处理前后45钢的力学性能和金相组织的对比；同时还与合金钢40Cr热处理水淬的力学性能比较；由于工件在淬火过程中内外温差会导致热应力和组织应力的产生，利用有限元ANSYS软件对45钢热处理水淬过程的温度场进行模拟，分析工件的各个部分在热处理水淬过程中的温度变化情况，为优化热处理工艺，使工件经过热处理后获得比较好的力学性能提供一定的理论依据。关键词：45钢，热处理，力学性能，温度场模拟IHeattreatmentof45steelcoolingprocessanalysisAbstract:45steeliscarboninthehigh-qualitysteel,Wc=0.45%,hotandcoldprocessingperformanceisgood,bettermechanicalproperties,andlowcost,easytoget,sowidelyusedinmachinerymanufacturing.Oftenusedinthesmallcrosssection,theloadofconditioningparts,suchasmainshaft,crankshaft,gear,connectingrod,sprocket,etc.,itsbiggestweaknesslowhardenability,sectionsizeandrequireshighworkpieceisnotsuitableforadoption.Higherrequirementsforperformanceparts,conditioningtreatmentmustbecarriedout.Aftertemperingprocesson45steel,getevenlytemperedsorbite,makingithasbettercomprehensivemechanicalproperties.StudythissubjectmainlythroughexperimentandANSYSsoftwaresimulation.Includingwaterquenchingheattreatmentof45steelandheattreatmentbeforeandafterthecontrastofmechanicalpropertiesandmicrostructureof45steel;Also,themechanicalpropertiesof40cralloysteelheattreatmentandwaterquenching;WorkpieceduringquenchingtemperaturedifferencebetweeninsideandoutsidethethermalstressandorganizationstresscanresultfromthefiniteelementANSYSsoftwareof45steelheattreatmentofwaterquenchprocess,tosimulatethetemperaturefieldanalysisofthevariouscomponentsofaworkpieceintheprocessofwaterquenchingheattreatmenttemperature,inordertooptimizetheheattreatmentprocess,theworkpieceafterheattreatmenttoobtainbettermechanicalperformancetoprovidecertaintheoreticalbasis.Keywords:45steel,heattreatment,mechanicalproperties,thetemperaturefieldsimulationII目录1绪论.12资料综述.22.1钢的分类.22.245钢的热处理工艺.32.2.1加热温度的选择.42.2.2保温时间的选择.42.3小结.73热处理实验.73.1前期准备.83.1.1实验概述.83.1.2试件准备.83.245钢的热处理.83.2.1试验设备的介绍.83.2.2实验概述.93.2.3实验步骤.103.2.4实验结果.113.3布氏硬度和洛氏硬度实验.113.3.1布氏硬度实验.113.3.2洛氏硬度实验.133.4拉伸试验.153.4.1实验设备.153.4.2实验步骤.153.4.3实验原理.163.4.4实验结果.163.545钢热处理前后金相组织的分析比较.163.5.1实验设备和实验前的准备.173.5.2金相图分析.183.5.3实验结果.193.6小结.194ANSYS有限元分析软件.20III4.1ANSYS软件概述.204.2基于ANSYS的淬火温度场的数值模拟实例分析.224.2.1前处理阶段.224.2.2温度分布图.264.2.3获取关键点温度随时间变化的曲线图.294.3小结.32总结.33参考文献.34致谢.3501绪论钢是经济建设中使用最广，用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。作为当今社会应用最广泛的材料之一，其在结构材料中的使用，它的性能在很高层面上决定了产品的质量，因此它性能的提升具有重要的意义1。其中，使用性能则是材料或者被制作成零部件的材料在服役过程中表现出来的一系列特性和性能，如强度、塑性、韧性、耐磨性等物理、化学和力学性能2。为使45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。它不改变45钢的外形，通过热处理能充分发挥45钢的潜力，并赋予45钢所需要的各种性能，达到提高45钢质量，延长使用寿命，确保机器安全可靠运行的目的。其中冷却性能是淬火介质重要的性能，它的好坏直接影响到淬火零件的质量，良好的冷却性能可保证淬火后的零件具有一定的硬度和合格的金相组织，可以防止零件变形和开裂3。热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。估算和控制工件的温度场，分析不同条件下，不同材料及几何形状对温度场变化的影响，防止工件缺陷的产生。热分析在工业生产及科学研究中具有重要作用，而且钢铁行业投资大，工艺复杂，进行有限元模拟分析尤为重要4。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上著名的有限元软件公司美国ANSYS公司开发5。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，求解模块和后处理模块；利用ANSYS软件的热分析模块对钢件淬火过程进行建模、分网、加载及求解，得到钢件淬火不同时刻的温度场，模拟过程对于淬火液的选取及淬火工艺的优化提供了参考依据，对淬火过程中的热应力、残余应力计算提供温度边界条件6。同时ANSYS有限元软件在温度场的模拟过程中，很好的结合了材料变温过程材料热物性参数的变化，特别适用于钢件淬火过程温度场的准确计算，通过利用ANSYS有限元软件对几何外形复杂的45钢零件淬火过程温度场进行有限元模拟，得到零件温度随淬火时间的分布关系。模拟结果与实际过程一致，且运算速度较快，适用于淬火液的选取及淬火工艺的优化，并为精确计算淬火过程的热应力、残余应力做好准备工作7。为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。12资料综述2.1钢的分类工业用钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有极其重要的地位7。钢铁材料是工业应用最广、用量最多的金属，其品种繁多、性能各异。按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。结构钢用作各种机器零件的钢，如：渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢；也可用作工程结构的钢，如碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。工具钢用来制造各种工具的钢，根据用途不同可以分为刃具钢、模具钢与量具钢。特殊性能钢是具有特殊物理化学性能的钢，可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）、中碳钢（0.25%含碳量0.6%）、高碳钢（含碳量0.6%）。合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）、中合金钢合金元素总含量=5%-10%）、高合金钢（合金元素总含量10%）。45钢是中碳结构钢，其相关信息见表2.1。表2.145钢相关信息牌号用两位数字表示，这两位数字表示平均含碳量的万分之几，比如45钢表示钢中平均含碳量为0.45%，08钢表示平均含碳量为0.08%。含猛量较高的钢，须将猛钢号化学成分热处理力学性能应用举例45C0.42-0.50Mn0.5-0.8Si0.17-0.37Cr0.25正火850淬火：840水回火：600抗拉强度600Mpa屈服强度355Mpa伸长率16断面收缩率40冲击韧性39J小截面、中载荷的调质件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、链轮等2元素标出，如平均含碳量为0.50%，含猛量为0.70%-1.00%的钢，其牌号为“50Mn”。根据45钢的含碳量0.45%可知，45钢属于中碳优质碳素结构钢，它的室温组织是铁素体和珠光体的组合。其硬度不高易切削加工，45钢淬火前的硬度低于28HRC,淬火后的硬度可以高于55HRC。调质处理后零件具有良好的综合力学性能，即硬度尚可，塑性较高。2.245钢的热处理工艺钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。GB/T699-1999标准规定45钢推荐热处理制度为：正火850，淬火840，回火600，达到的性能为屈服强度355Mpa。本文对45钢采取840淬火，600高温回火，淬火是为了得到马氏体组织，再经过回火后，可使工件获得良好的使用性能。所谓淬火就是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上30-50，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临），以获得马氏体组织。45钢经过淬火后的组织由马氏体及一定数量的残余奥氏体所组成，为了正确地进行45钢的淬火，必须考虑以下三个因素：淬火加热的温度，冷却速度和保温时间。回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温适当时间后，置于空气或者水中冷却的工艺，目的是为了减少或消除淬火内应力，防止开裂或变形；获得所需要的力学性能，调整淬火后的硬度和韧性；稳定尺寸，防止使用时变形。本论文主要研究45钢淬火后水冷以及高温回火后的性能研究。2.2.1加热温度的选择对45钢进行热处理时，其加热过程主要是为了得到均匀、细小的奥氏体晶粒，而温度对奥氏体晶粒的形成速度和晶粒大小影响最大的因素；而且工件在加热过程中由于内外温差会导致热应力和组织应力的产生。钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗3大的现象。过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大，使工件的强度和韧性降低，易于产生脆断，而且容易引起淬火裂纹。淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体。根据45钢含碳量0.45%，按含碳量是亚共析钢。亚共析钢通常加热至Ac3以上3050。若在Ac1Ac3之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的硬度和强度降低，淬火温度亦不能超过Ac3点过高，以防奥氏体晶粒粗化，淬火后获得粗大的马氏体。根据铁碳合金相图可确定实验温度是840。2.2.2保温时间的选择为了使工件各部分完成组织转变，需要在淬火加热时保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。影响淬火加热时间的因素较多，如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸，保温时间的长短对冷却转变后会影响奥氏体晶粒大小，一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧性越高。但是奥氏体化温度过高，将使钢的奥氏体晶粒长大，显著降低钢的冲击韧度、减少裂纹扩展功和提高脆性转折温度。此外，晶粒粗大的钢件，淬火变形和开裂倾向增大，尤其是当晶粒大小不均时，还显著降低钢的结构刚度，引起应力集中，易于产生脆性断裂。由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，所以加热温度越高，根据淬火保温时间=KD计算得保温时间为15min，由ANSYS有限元模拟软件为依据，选择15min，高温回火60min.铁碳合金相图如图2.1所示。4图2.1铁碳合金相图其热处理工艺曲线如下图2.2,2.3所示。图2.2淬火工艺曲线水冷840=KD5图2.3高温回火工艺曲线对图2.1中PSK(A1线)、GS(A3线)、ES(Acm线)是钢在缓慢加热和冷却过程中组织转变的临界点。共析钢加热至Fe-Fe3C相图PSK(A1线)以上全部转变为奥氏体；亚、过共析钢则必须加热到GS(A3线)以上才能获得单相奥氏体。钢从奥氏体状态缓慢冷却至A1线以下，将发生共析转变，形成珠光体。而在通过A3或Acm时，则分别从奥氏体中析出过剩铁素体和渗碳体。根据组织特征，将铁碳合金相图按含碳量划分为七种类型：工业纯铁Wc0.0218%；共析钢Wc=0.77%；亚共析钢Wc=0.0218%0.77%；过共析钢Wc=0.77%2.11%；共晶白口铁Wc=4.3%；亚共晶白口铁Wc=2.11%4.3%；过共晶白口铁Wc=4.3%6.69%。2.3小结本章介绍了钢的分类以及45钢的基本性能和化学成分，并为本次课题所要研究的不同加热温度和保温时间进行了实验参数的确定，以及为其参数的确定提供了一定的理论依据。确定了热处理工艺方案，对试样采用调质处理，其中包括两个工艺过程。淬火过程，首先是对45钢各种试样的加热，其中包括小圆柱体、拉伸试样、布氏硬度和洛氏硬度试样、冲击试样，加热温度为840；其次是保温，对直径为20mm的小圆柱体试样加热保温时间为30min,对冲击试样加热保温时间为15分钟，同样，对拉伸试样加热保温时间为15min，其中保温时间是试样放入加热炉中后，加热炉中温度再次达到840时开始计时；最后是冷却，加热完成后，迅速从加热炉中取出试样，放入水中冷却至常温。高温回火过程，首先是将所有加热的各种试样放入预先达到600的炉中加热。其次是保温，等到加热炉温度再一次达到600时开始计时，保温60min后取出所有试样。最后，将取出的试样在空气中冷却至常温。63热处理实验3.1前期准备3.1.1实验概述（1）通过布氏，洛氏硬度，冲击，拉伸等一系列实验研究45钢热处理前后组织及力学性能的变化。（2）观察和比较45钢热处理前后的金相组织变化。3.1.2试件准备（1）将进行布氏，洛氏，拉伸，冲击的试件进行热处理，加热至840后保温15分钟，然后取出水冷，最后进行高温回火，最后在空气中冷却。（2）分别取热处理前后的试件进行研磨剖光，腐蚀，观察金相组织的变化。3.245钢的热处理3.2.1试验设备的介绍箱式加热炉见图3.1。=71.加热室；2.加热丝孔；3.测温孔；4.接线盒；5.试样；6.控制开关；7.挡铁；8.炉门；9.隔热层；10.炉底板图3.1箱式电阻炉结构示意图箱式电阻炉有称马弗炉，它是一种周期作业式加热炉，可供实验室做退火、正火、淬火、回火等热处理加热用。上图是箱式电阻炉的构造示意图。用高强度耐火材料制成的加热室1其壁中排列着许多纵向电热丝孔2电热丝多用铁铬铝合金丝制成螺旋形。当电源通过接线盒4使电热丝中通有电流时，便产生电热效应，所发出的热量即可加热炉内的试样5。为了避免取放试样时碰坏或磨损加热室底部耐火材料，在加热室底部放置一块高强度耐火材料制成的炉底板10。热室的开口处用炉门8封闭。炉门上有一个小孔，供观察炉内温度和试样加热情况用。炉门下部有一挡铁7，炉门关闭时，挡铁掀动控制开关6，使加热室内的电热丝中有电流通过，当炉门打开时，控制开关切断了电源控制电路，此时即使闭合电源开关，电炉中的电热丝也不会有电流通过，从而保证了操作时的安全。隔热层9是用隔热材料填充的，其作用是减少炉内热量的散失。在加热室后壁开有一圆孔3，供插入测量电偶用。整个炉体用钢板包裹，并由支架支撑着。箱式电阻炉用于热处理加热时，其炉温大都是利用热电偶高温计和温度指示调节仪进行测量和控制的。3.2.2实验概述碳钢的热处理一般有退火、正火、淬火、回火四种方法。不同的热处理方法使碳钢获得不同的组织和性能；同一种热处理方法，当采用不同的热处理工艺参数时，碳钢所获得的组织和性能也不同。碳钢的淬火。淬火是将钢加热到临界点Ac1，或Ac3以上某一温度，经过上当保温后，快速冷却，以得到马氏体组织，从而显著提高碳钢的强度和硬度。加热温度，保温时间和冷却速度是影响淬火质量的重要工艺参数。亚共析钢淬火时，要加热到Ac3以上30-50，经适当保温后，得到均匀细小的奥氏体。当在水中快冷时，就回得到均匀细小的条状、片状马氏体，及少量残余奥氏体。如果加热温度过高，会得到粗大的奥氏体晶粒，淬火后得到的马氏体晶粒也粗大。粗大的马氏体组织使钢的韧性下降，具有这种组织的零件或工模具在工作过程中容易发生脆断现象。若加热温度选在Ac1-Ac3之间，则碳钢的高温组织为奥氏体8加铁素体，淬火冷却后的组织为马氏体加铁素体。由于铁素体的存在，显著减小了钢的强化效果。淬火的过热组织和欠热组织都是因淬火温度选择不当形成的。过共析钢的淬火温度为Ac1+（30-50）此时得到细小的奥氏体加未溶的颗粒状二次渗碳体。淬火后的组织为马氏体加渗碳体，也有少量残余奥氏体。如果淬火温度选在Acm以上，则钢中二次渗碳体全部溶入奥氏体。淬火冷却后，除得到粗大的片壮马氏体外，还会得到较多的残余奥氏体。作为强化相的未溶渗碳体没有了而硬度低的残余奥氏体增多了。所以过共析钢过热淬火组织的硬度、耐磨性和韧性都不如正常淬火的组织，对于共析钢，其正常淬火温度当然是Ac1+（30-50）。3.2.3实验步骤将要进行拉伸，布氏硬度，洛氏硬度以及冲击韧性试验的试件放入预选设定好温度的电阻炉中，当温度达到840时开始计时，加热15分钟后取出，然后立即放入水中冷却。将冷却至常温的试件放入回火炉中进行回火，回火温度为600，加热一个小时后，取出空冷至常温。3.2.4实验结果完成对45钢各个试样的热处理实验，为后续实验做好准备。3.3布氏硬度和洛氏硬度实验3.3.1布氏硬度实验（1）实验设备：HBE-3000电子布氏硬度计图3.2，读数显微镜。（2）实验步骤。根据材料和布氏硬度范围由表2-1选择F/D值，确定压头直径，载荷及载荷的保持时间。将压头装在主轴衬套内，先暂时将压头固定螺钉旋压在压头杆扁平处。9图3.2HBE-3000布氏硬度计将试样和工作台的台面揩擦干净，将试样稳固地放在工作台上，然后按顺时针方向转动工作台升降手轮使工作台缓慢上升，并使压头与试样接触，直到手轮与升降螺母产生相对运动时为止，接着再将压头固定螺钉旋紧。准备就绪后施加载荷将钢球压入试样，施加载荷时间为2-8秒。钢铁材料试验载荷的保持时间为10-15秒；非铁金属为30秒；布氏硬度小于35时为60秒。逆时针转动手轮，降下工作台，取下试样。用读数显微镜在两个垂直方向测出压痕直径、布氏硬度计d1和d2的数值，取平均值。根据压痕平均直径，由“布氏硬度换算表”查得布氏硬度值。（3）实验注意事项。试样的试验面应制成光滑平面，不应有氧化皮及污物。试验面应能保证压痕直径能精确测量，试样表面粗糙度值一般不应大于0.8m。在试样制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工对试样表面硬度的影响。布氏硬度试样厚度至少应为压痕深度的10倍。试验温度一般在10-35范围内。（4）实验结果。10规范操作后所得实验数据见表3.1。表3.1布氏硬度所得数据热处理前热处理后压痕直径（mm）HBS压痕直径(mm)HBS4.651663.742634.761583.762604.821543.70269（5）分析实验数据。经计算热处理前的布氏硬度（HBS）为159.3；热处理后的布氏硬度（HBS）为264.可知经过热处理水淬的45钢硬度明显增强。3.3.2洛氏硬度实验（1）实验设备：HRS-150型数显洛氏硬度计图3.3，45钢试件。（2）实验步骤据试样材料及预计硬度范围，选择压头类型和初、主载荷。根据试样形状和大小，选择适宜工作台，将试样平稳地放在工作台上。顺时针方向转动工作台升降手轮，将试样与压头缓慢接触。加主载荷应在48秒内完成。待指针停止转动后，再将主载荷卸除。逆时针方向旋转手轮，降下工作台，取下试样，或移动试样选择新的部位.11图3.3HRS-150型数显洛氏硬度计（3）实验注意事项试样两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不小于3mm，在特殊情况下，这个距离可以减小，但不应小于直径的3倍。为了获得较准确的硬度值，在每个试样上的试验点数应不小于三点（第一点不记），取三点的算术平均值作为硬度值。对于大批试样的检验，点数可以适当减少。被测试样的厚度应大于压痕残余深度的十倍，试样表面应光洁平整，不得有氧化皮，裂缝及其它污物沾染。常用的三种洛氏硬度实验规范见表3.2。表3.2常用三种洛氏硬度实验规范表符号压头类型载荷kgf硬度值有效范围使用范围HRA120金刚石圆锥体607085适用于测量硬质合金，表面淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10025100（相当HB60-230）适用于测量有色金属，退火、正火钢等HRC120金刚石圆锥体1502067（相当HB230-700）适用于调质钢、淬火钢等12（4）实验结果以及与40Cr水淬的比较。实验所得数据见表3.3。表3.3热处理前后洛氏硬度的对比45钢水淬与合金钢40Cr水淬的洛氏硬度对比见表3.4,3.5。表3.4热处理前的洛氏硬度对比表3.5热处理后的洛氏硬度对比(5)分析实验结果。通过对比45钢热处理前后的洛氏硬度，可知45钢经过热处理水淬；后硬度显著提高。通过对比45钢与40Cr热处理前后的洛氏硬度，发现45钢热处理前后的硬度均小于40Cr的硬度。通过对比分析发现45钢热处理前后提升的硬度远大于40Cr热处理前后提升的硬度。3.3拉伸试验3.3.1实验设备实验设备包括拉伸机和游标卡尺。1234平均值热处理前7.510.68.910.39.325热处理后26.626.727.427.026.9251234平均值45钢热处理前7.510.68.910.39.32540Cr热处理前21.021.622.019.320.9751234平均值45钢热处理后26.626.727.427.026.92540Cr热处理后39.333.032.830.733.95133.3.2实验步骤（1）划线测量。（2）将样品安装在万能拉伸试验机上，按照试验机的操作流程，对样品进行拉伸，在电脑上记录拉伸曲线。（3）设置电脑屏幕上的各种拉伸参数，将初始数据设置为0，点击开始按钮，开始拉伸试验。当拉伸量趋于平稳，将试件取下避免设备损坏。（4）继续拉伸试样，直到试件断裂。将试样从试验机取下，观察端口形貌。测定断后试样颈缩直径，断后标距长度，试样旋转90度再测量一遍。（5）根据拉伸过程中测得的应力、位移、塑性变形的数据，按国际的数据处理方式，计算拉伸试验测得的四项拉伸强度和拉伸塑性的测试结果。3.3.3实验原理随着拉伸实验的进行，试件在连续变载荷的作用下经历了弹性变形阶段，屈服阶段，强化阶段以及局部变形阶段这四个阶段；通过实验得到的数据可以确定材料的弹性极限，伸长率，弹性模量，比例极限，面积缩减量，拉伸强度，屈服点屈服强度和其他的拉伸性能指标。3.3.4实验结果通过实验可得数据见表3.6。表3.6拉伸实验数据热处理方式伸长量/mm最小直径/mm延伸率断面收缩率屈服载荷/N断裂载荷/N屈服强度/Mpa断裂强度/Mpa抗拉强度/Mpa840水淬600回火216.300.210.3705500062000700198978914注：伸长率A=(Lu-Lo)/Lo100%；截面收缩率Z=(So-S)/So100%。3.545钢热处理前后金相组织的分析比较3.5.1实验设备和实验前的准备（1）实验准备包括转盘式金相预磨机，金相显微镜，金相图谱。（2）实验前的准备。磨光，磨光通常是在砂纸上进行的。砂纸上的每颗磨粒可以看成是一个具有一定迎角(磨粒的前导面与试样平面之间的角)的单点刨刀，迎角大于临界值的磨粒才能切除金属，小于临界值的只能压出磨痕(钢铁材料的临界迎角为90)。前一种磨粒只占一小部分(约20)，如图21中的阴影部分所示。后一种磨粒使金属表层产生的流变要大得多，试样表层的组织变化(又称变形层)主要是由这种磨粒造成的。普通的金相砂纸所用的磨料有碳化硅和天然刚玉两种。碳化硅砂纸最适用金相试样的磨光，其优点是：磨光速率(单位时间除去的金属重量)较高，变形层较浅，可以用水作润滑剂进行手工湿磨和机械湿磨。碳化硅砂纸的粒度大到一定尺寸(280号一150号)后，磨光速率相差不多，但变形层深度却随着磨粒尺寸的增大而增加。因此，开始磨光时所用的砂纸，不一定越粗越好。通常使用粒度为200，400，600及800(或300，500，700，900)的四种砂纸，进行磨光后即可进行抛光。对于较软的金属，应用更细的砂纸磨光后再抛光。抛光，抛光的目的就是要尽快把磨光工序留下的变形层除去，并使光产生的变形层不影响显微组织的观察。抛光与磨光的机制基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕。由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑、划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多。抛光操作的关键是要设法得到最大的抛光速率，以便尽快除去磨光时产生的损伤层，同时要使抛光产生的变形层不致影响最终观察到的组织，即不会产生假象。这两个要求是有矛盾的，前者要求使用较粗的磨料，但会使抛光变形层较深；后者要求使用最细的磨料，但抛光速率较低。解决这个矛盾的最好办法就是把抛光分为两个阶段来进行。首先是粗抛，目的是除去磨光的变形层，这一阶段应具有最大的15抛光速率，粗抛本身形成的变形层是次要的考虑，不过也应尽可能小。其次是精抛(又称终抛)，其目的是除去粗抛产生的变形层，使抛光损伤减到最小。腐蚀，试样抛光后(化学抛光除外)，在显微镜下，只能看到光亮的磨面及夹杂物等。要对试样的组织进行显微分析，还须让试样经过腐蚀。常用的腐蚀方法有化学腐蚀法和电解腐蚀法。化学腐蚀是将抛光好的样品磨面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出试样的组织。纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不规则，具有较高的自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来，在显微镜下可以看到多边形的晶粒。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同，腐蚀后的显微平面与原磨面的角度不同，在垂直光线照射下，反射入物镜的光线不同，可看到明暗不同的晶粒。3.5.2金相图分析经过打磨试样、研磨抛光及用4%硝酸酒精溶液稀释之后在显微镜下观察到的组织如下图3.8，图3.9所示。图3.845钢热处理前的金相组织16图3.945钢热处理后金相组织分析对比发现45钢热处理前后，淬火加高温回火后得到组织是以均匀回火索氏体为主的显微组织。3.5.3实验结果45钢淬火加高温回火后得到均匀的组织，以均匀回火回火索氏体为主。3.6小结本章主要结合了目前钢的热处理研究所得到的成果对毕业设计实验所得的数据进行分析。通过对实验数据的分析，发现了热处理前后45钢的组织性能差别很大。其中加热温度840、保温时间15min淬火+高温回火后45钢的硬度已经接近最大值。45钢淬火是加热温度在840是最理想的，加热温度再升高不仅增加生产成本，而且会引起淬火应力降低，组织粗大等；同时保温时间控制15min也是比较适宜的，保温时间减少，可能会出现因加热不均匀而造成硬度不足的现象，保温时间过长，会使晶粒粗大，氧化脱碳严重，影响淬火质量。通过对45钢热处理前后的布氏硬度和洛氏硬度的对比，可知45钢经过热处理后硬度明显增强；对热处理前后拉伸试验的对比，可知热处理后的45钢弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点强度等一系列力学性17能明显提高；对45钢热处理前后的金相组织对比，可知热处理后的45钢金相组织明显比热处理前的均匀化，性能提高了不少。通过与40Cr水淬的对比发现,40Cr热处理前后的硬度以及力学性能均好于45钢，得出结论合金钢的性能优于碳素钢。但40Cr的价格较45钢贵一半还多，故要求性能不高的，出于经济因素考虑，还是45钢优先考虑。4ANSYS有限元分析软件4.1ANSYS软件概述随着计算机技术的发展，很多有限元分析软件得到普及，其中最普遍的ANSYS准确性较高，实用性较强，得到很多方面的使用。ANSYS软件是国际上第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件6。它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可应用于航空航天、土木建筑、机械、能源、交通运输、电子生物、医学、教学、科研等相关领域。热分析中基本符号及国际单位见表4.1。表4.1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N18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/mENTHANSYS有限元计算机模拟可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来,实现动态的、逼真的模拟。无论是针对外形规则、对称的零件如轴、板等；还是对于外形过于复杂的零件,都可以轻而易举的完成。ANSYS模拟不仅可以真实的描述零件的几何形状和边界条件,而且还能成功地处理一些非线性初边值问题,通过友好的用户接口,可很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布,因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟1。ANSYS10.0热分析分类，主要有两大类。分别是稳态传热和瞬态传热，稳态传热是指温度场不随时间变化，而瞬态传热是指温度分布场随时间明显发生变化。4.2基于ANSYS的淬火温度场的数值模拟实例分析某一圆柱体零件，将其由室温840冷却到20，用ANASYS软件模拟不同时间圆柱体内温度场分布以及在不同的关键点处温度随时间的变化。4.2.1前处理阶段（1）建模。设圆柱体底面半径R=10mm,高h=15mm。由于该45钢热处理试样为圆柱体，为轴对称模型，故我们可以取该圆柱的一旋转面，建立一个二维模型，使模拟过程得以简化。在建模过程中,以m为单位。由手册6查得45号钢的比热容、热导率与温度变化关系如表4.2所示。19表4.245钢热物性参数T/cp/J.(kg.)/W.(m)-1/kg.m-310048043.5320049840.4430052438.1340056036.0250061534.1660070031.9870085428.66755106425.1480080626.4990063725.92100060224.027800（2）网格划分。以尽可能的获得小正方形的标准划分网格。（3）定义材料热物性参数。45钢的密度与温度变化关系不是很大,按常数处理,对最后结果影响不大。对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的热物性参数,过程温度跨度大,组织变化程度大,因而将各热物性参数看作恒量显然是不合理的。因而比热容、热导率必需看成是温度的函数1。（4）具体操作。第一步：建立工作文件名和工作标题。启动ANSYS，修改工作文件名为45GANG。选择UtilityMenuFileChangeJobname，在弹出的对话框中输入45GANG，然后点击OK。选择UtilityMenuFileChangeTitle，在弹出的对话框中输入Temperaturefieldsimulation，然后点击OK。第二步：定义单元类型。选择MainMenuPreprocesorElementTypeAdd/Edit/Delete,在弹出对话框中选择ThermalSolid和Quad4node55,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，点击20OK，然后点击Close。第三步：定义材料性能参数。启动ANSYS，定义材料性能参数：选择MainMenuPreprocesorMaterialPropsTemperatureUnits，在弹出的SpecifyTemperatureUnits对话框中选择Celsius。定义坯料与温度相关的热导率：选择MainMenuPreprocesorMaterialPropsMaterialModels,然后选中材料1，点击对话框右侧的ThermalConductivityIsotropic,在弹出的坯料热导率输入对话框中点击AddTemperature。定义坯料与温度相关的比热容：点击ThermalSpecificHeatIsotropic，弹出比热容输入对话框，输入材料参数。定义坯料密度：点击ThermalDensity,在弹出对话框中输入坯料密度。点击OK。坯料热导率与比热容随温度变化曲线见图4.1,4.2。图4.1坯料热导率随温度变化曲线21图4.2坯料比热容随温度变化曲线所得网格分布结果如图4.3。图4.3网格划分结果第四步：加载求解。设置分析类型：选择MainMenuSolutionAnalysisTypeNewAnalysis,在22弹出的NewAnalysis对话框中选择分析类型为Transient，单击OK按钮，在弹出的TransientAnalysis对话框中选中Full单选框，单击OK按钮。设置初始温度：选择MainMenuSolutionDefineLoadsApplyInitialConditinDefine，在弹出的节点拾取对话框中，单击PickAll按钮后立即弹出DefineInitialConditions对话框。选择自由度为TEMP，并设置初始温度为840，单击OK按钮。施加外边界条件：选择MainMenuSolutionDefineLoadsApplyThermalConvectionOnLines，弹出线拾取对话框，选中模型的外部边界后，单击拾取对话框的OK按钮，此时弹出ApplyCONVConLines对话框，在其中Filmcoefficient一栏中输入110，表明对流传热系数为110；在Bulktemperature一栏中输入20，表明最终冷却温度为20，然后单击OK。设置时间和载荷步：选择MainMenuSolutionLoadStepOptsTime/FrequencTime-TimeSetup，弹出TimeandTimeStepOptions对话框，在Time一栏中输入分析的最终时间800，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，单击OK按钮。设置结果输出项：选择MainMenuSolutionLoadStepOptsOutputCtrlsDB/ResultsFiles，弹出ControlsforDatabaseandResultsFile对话框。在Item下拉列表中选择Allitems表明输出所有计算结果。同时在FREQ栏中选择EverySubstep，表明为每计算完一个子步距输出该子步对应的计算结果。单击OK按钮。求解：选择MainMenuSolutionSolveCurrentLS，单击OK按钮，求解开始。求解完毕后会弹出提示对话框。单击提示对话框中的OK按钮。4.2.2温度分布图（1)进入通用后处理器，选择第50秒的计算结果。选择MainMenuGeneralPostprocReadResultsByPick在弹出的ResultsFiles对话框中，选择时间为的一项60，单击Read按钮后，第50秒的结果将被读入通用后处理器。接着单击Close按钮，关闭该对话框。（2)绘制第50秒时旋转面的温度分布：选择MainMenuGeneralPostprocPlotResultsContourPlotNodalSolution，在弹出的ContourNodalSolutionData对话框23中，选择DOFSolutionNodalTemperature，单击OK按钮，即可得到第50秒45钢圆柱旋转面的温度分布图。（3）以此类推，可依次获得45钢在冷却过程中的各个时间点的温度场分布图。（4）对各时间点温度分布图的分析。从上述各个时间点温度分布图可以看出，该45钢工件试样在开始冷却阶段，工件内外温差较大，在后阶段温差逐渐减小，可以看出试样在刚开始阶段冷却温度变化范围比后阶段快。（5）对各点温度随时间变化的曲线图分析。从不同关键点温度随时间变化的曲线图可知，由于该45钢工件尺寸较小，故工件上各点温度随时间变化的趋势较相近，同样可以从曲线看出刚开始阶段温度变化较快，在后阶段温度变化较慢，直至冷却到常温。此次模拟选择了四个温度场进行比较，分别是50秒、200秒、450秒和600秒时的圆柱体旋转面的温度场分布图，如图4.4,图4.5，图4.6，图4.7所示为各时间点的温度场分布图。图4.4第50秒45钢圆柱体旋转面的温度场分布图24图4.5第200秒45钢圆柱体旋转面的温度场分布图图4.6第450秒45钢圆柱体旋转面温度场分布25图4.7第600秒45钢圆柱体旋转面温度场分布4.2.3获取关键点温度随时间变化的曲线图（1)选择UtilityMenuPlotCtrlsStyleGraphsModifyAxes命令，出现AxesModificationsforGraphPlots对话框，参照14对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。（2)选择UtilityMenuPlotCtrlsStyleGraphsModifyGrid命令，出现GridModificationsforGraphPlots对话框,参照14对其进行设置,单击OK按钮关闭该对话框。（3)选择MainMenuTimeHistPost