60Si2Mn弹簧钢热处理过程温度场模拟

60Si2Mn弹簧钢热处理过程温度场模拟摘要：本文采用ANSYS有限元软件建立轴对称模型，研究了60Si2Mn弹簧钢的热处理过程，得到淬火加热冷过程却以及回火加热冷却过程的温度场的分布图和某些特定位置温度随时间变化的曲线。结果表明，1.模拟热处理过程中，模拟的温度场以中心位置为圆心，呈同心圆分布。2.在温度场模拟时，设定了实际过程中的初始条件及边界条件,综合考虑了热物性参数等非线性因素的影响,大大减小了通用有限元软件处理淬火过程非线性问题时只能以常数代替所引起的模拟误差。3.圆柱体工件中心位置的吸收热和散热的速度不仅和材料本身有关，主要和工件的底面半径及高度有关，半径越大，高度越高，吸收热和散热速度就越慢。关键词：60Si2Mn弹簧钢，热处理，温度场,有限元模拟I60Si2MnspringsteelheattreatmentTemperaturfieldsimulationAbstract:Inthispaper,ANSYSfiniteelementsoftwaretoestablishaxisymmetricmodeltostudythe60Si2Mnspringsteelheattreatmentprocesstoobtainquenchingandcoolingprocess,buttheprocessofheatingandcoolingdistributiontemperingtemperaturefieldandthelocationofcertaintemperatureversustimecurve.Theresultsshow,1.Analogheattreatmentprocess,thesimulationofthetemperaturefieldinthecenterpositionofacircle,aconcentricdistribution.2.Whenthetemperaturefieldsimulation,theactualprocessofsettingtheinitialconditionsandboundaryconditions,consideringtheimpactofthermalparametersofnonlinearfactors,greatlyreducestheprocessingfiniteelementsoftwarenonlinearproblemsonlywhenthequenchingprocessItcansimulateerrorcausedbyaconstantsubstitute.3.Thecylindricalworkpiececenterpositiontoabsorbheatandcoolingspeedandthematerialitselfisnotonlyrelatedtothemainandthebottomsurfaceoftheworkpieceradiusandheight,andthelargertheradius,thehigherthealtitude,absorbingheatandcoolingtheslower.Keywords:60Si2Mnspringsteel,Heattreatment,Thetemperaturefield，FiniteelementsimulationII目录1绪论.11.1研究的目地及意义.11.2国内外研究进展.11.3研究内容.21.4研究方法.32ANSYS软件概述.42.1ANSYS热分析的基本原理.52.2ANSYS热分析的单位.52.3热方式的传递.62.4ANSYS热分析分类.62.5ANSYS热分析功能.63有限元模拟.73.1淬火加热过程模拟.73.1.1有限元建模.73.1.2模拟过程.83.1.3结果与分析.133.2淬火冷却过程模拟.143.2.1有限元建模见3.1.1.143.2.2模拟过程.143.2.3结果与分析.193.3回火加热过程模拟.193.3.1有限元建模见3.1.1.193.3.2模拟过程.193.3.3结果与分析.243.4回火冷却过程模拟.253.4.1有限元建模见3.1.1.253.4.2模拟过程.25III3.4.3结果与分析.294结论.31参考文献.32致谢.3301绪论1.1研究的目地及意义钢一直从铁器时代沿用至今，它具有悠久的历史，并且推动了社会的大跨步发展，在工业发展中尤为重要。60Si2Mn弹簧钢是最常使用的钢材之一，含碳质量分数在0.56%0.64%,并含有微量的硅、锰、硫、磷、铬、镍、铜等元素，具有高的弹性极限、屈强化、高的疲劳极限、一定的塑形和韧性，能避免高负荷下产生的永久变形，防止产生疲劳破坏和冲击载荷下发生突然破坏等优良的综合性能及价格低廉的优点,广泛应用与飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中1。钢的普通热处理工艺有正火、退火、淬火和回火2。正火是将钢加热至适当温度，保温以后在空气中冷却的到珠光体类组织的热处理工艺。其实质是完全奥氏体化加伪共析转变。正火既可以改善低碳钢的切削加工性能，又可以消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。退火是将钢加热至临界点以上或以下温度，保温后随炉缓慢冷却以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并未淬火做好准备。根据加热温度可以分为：完全退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和去应力退火。淬火是将钢加热至临界点以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。其目的是使工件获得尽可能多的马氏体，提高硬度和耐磨性。常用的淬火介质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物油等。回火是将淬火钢在一定下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却至室温的工艺过程。其主要目的是改善钢的塑韧性，减小或消除淬火应力。根据工件的技术要求，回火可分为高温回火、中温回火和低温回火3。60Si2Mn弹簧钢的热处理规范是油淬火、回火。其工艺为预热、加热、保温、冷却、回火保温、冷却。60Si2Mn弹簧钢的淬火温度以86010为佳，淬火保温时间可取0.50.6min/mm。淬火保温时间关系到淬火透烧时间，若控制不当，铁素体不能全部溶解。在高于Ac3温度以上的温度保温冷却到常温是奥氏体到马氏体的转变过程4。11.2国内外研究进展早在1887年,热分析实验就开始有人做了,当时是用热曲线方法分析陶瓷材料,热曲线是用电流计、照相底片和切光器自动记录下来。1915年,出现了另一范畴的热分析,即热重分析(TG)。1925年,日本电器工程师首次用热重分析数据预测电绝缘性能材料的使用寿命。第三种热分析方法热膨胀仪出现于第二次世界大战之前。所以,在那个时期,这三大分析技术已经使用起来了。但是,仪器中全自动控制和记录还谈不上。第二次世界大战之后,特别是上世纪50年代以来,自动控制和记录的技术得到了发展。在50年代中期,日本的全自动DTA仪器已经有3台。以后,自动化热天平和功率补偿式DSC亦成为市售商品。1965年,在英国的阿伯丁举行了首届国际热分析会议5。在1992年,另一划时代改革就是把温度调节引入到DSC。突破了由于先前的分析是在线性条件下,只能够局限于热焓测定的限制,同时较好地解决了由于热容而引起的相漂移问题。自上个世纪后半叶以来,计算机技术突飞猛进,应用计算机技术进行热分析成为热分析发展中的一个飞跃性进步。有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法,它以大型问题为对象,未知数的个数可以成千上万,因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具。由于有限元法强有力的、广泛的分析功能,以及固体力学的数学物理方程与很多其它领域的相应方程可归于同一类方程,因此很自然的被推广应用于分析其它领域问题,尤其是热分析中的场问题,甚至成了这一领域主要的分析方法。应用计算机这一先进手段,以有限元理论为基础进行数值模拟,则可以提高产品加工质量,省时省力,降低成本。ANSYS作为有效的有限元分析软件,应运而生6。随着ANSYS热分析功能的增强,计算机软硬件水平的提高,应用ANSYS进行热分析研究的工作也越来越深入。在国外,ANSYS在热分析的应用取得了很大的进展,与国内相比,以多场耦合的应用较多,如A1P1AmosovandA1F1Fedotov7应用ANSYS5.1对在脆性壳中合成坯件的高温热力学状态进行了模拟,有效的指导了具体2工艺的实施。1.3研究内容60Si2Mn弹簧钢由于具有高的弹性极限、屈强化、高的疲劳极限、一定的塑形和韧性，能避免高负荷下产生的永久变形，防止产生疲劳破坏和冲击载荷下发生突然破坏等优良的综合性能及价格低廉的优点8。它广泛应用与飞机、铁道车辆、汽车、拖拉机等运输工具和工程机械等各种设备中。60Si2Mn弹簧钢热处理有等温回火和分级淬火、亚温淬火及高温回火、形变热处理的工艺方法。使用该方法能有效地提高60Si2Mn弹簧钢的强韧性和使用寿命。而温度对60Si2Mn弹簧钢的热处理过程影响很大。所以很有必要对60Si2Mn弹簧钢热处理过程的温度场进行数值模拟。ANSYS有限元软件在热处理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,特别适用于钢件热处理过程温度场的准确计算。因此我们可以利用ANSYS有限元分析软件对60Si2Mn弹簧钢零件热处理过程温度场进行有限元模拟,来获得零件温度随热处理时间的分布关系。利用ANSYS软件的热分析模块对某钢件淬火过程进行建模、分网、加载及求解，得到了钢件催货不同时刻的温度场、在某一时刻沿钢件内壁温度分布，以及钢件上所选特殊点的温度分布；同时还建立了淬火过程的数字模型。模拟过程对于催火液的选取及淬火工艺的优化提供了依据，对淬火过程中的热应力、残余应力计算提供了温度边界条件。1.4研究方法1）查阅相关文献和书籍，掌握钢的热处理原理，为60Si2Mn弹簧钢制定适当的热处理工艺。2）学习ANSYS软件，熟悉该软件的基本操作，掌握ANSYS软件计算热处理过程温度场的方法。3）制定60Si2Mn弹簧钢热处理工艺。4）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3的变化关系。5）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。2ANSYS软件概述随着计算机技术的发展，ANSYS软件的应用也更加广泛。它集结构、传热、流体、电磁、碰撞爆破分析于一体，具有强大的前后处理及计算分析能力，能够进行多场耦合及耦合求解。ANSYS主操作窗口和隐藏的信息输出窗口如图2.1和图2.2所示：图2.1ANSYS主操作窗口4图2.2ANSYS隐藏的信息输出窗口2.1ANSYS热分析的基本原理ANSYS进行热分析计算基本原理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9。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。这样不但提高了模拟精度也提高了运算速度。2.2ANSYS热分析的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10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-KXX5对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH2.3热方式的传递根据热量传递机理的不同，有3种基本热传递方式：热传导、热对流和热辐射。本文采用热对流的传热方式11。热对流是指固体的表面与她周围接触的流体之间，由于温差的存在而引起的热量的交换12。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。对流一般作为面边界条件施加。2.4ANSYS热分析分类ANSYS热分析方法有两种，分别是稳态热分析和瞬态热分析。稳态热分析是用于确定稳态条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件是可以忽略热量随时间的变化；瞬态热分析则是计算随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。2.5ANSYS热分析功能热分析过程主要计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其他热物理参数13。63有限元模拟3.1淬火加热模拟过程查表得60Si2Mn弹簧钢的热物性参数，如表3.1所示。表3.160Si2Mn弹簧钢的热物性参数153.1.1有限元建模60Si2Mn弹簧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，对于底面半径为0.02m、高度为0.04m的钢圆柱模拟时，选取其截面一半为有限元模型。如图3.1。对有限元模型进行网格划分。划分网格的方式有很多种，本次模拟以尽可能的获得小正方形的标准划分网格。具体划分是竖直方向划分50等份，水平方向划分20温度（）密度（Kg/m）比热（J/Kg-）导热系数（W/m-）1007680473.0225.532007674510.7025.124007631598.6024.336007615778.60227等份。网格划分结果如图3.2所示。查阅相关文献，制定出热处理工艺：（1）淬火：将试样加热至870保温30分钟后10油冷。（2）回火：试样经200回火1h后20水冷，消除淬火过程中产生的残余应力16。图3.1图3.23.1.2模拟过程因为观察和计算随时间变化的条件下，材料的温度分布和热特性，所以采用的8有限元分析类型为瞬态传热。淬火加热过程对流边界的对流系数取280，设置初始温度为25，最终加热温度为870；同时设置最终时间为3600s；冷却过程对流系数取1000，设置初始温度870，最终冷却温度为10，最终时间为3600s。回火加热过程对流边界的对流系数取200，设置初始温度为25，最终加热温度为480；同时设置最终时间为3600s；冷却过程对流系数取180，设置初始温度480，最终冷却温度为25，最终时间为3600s。由设定的求解条件可以得到退火加热过程3600s内零件各部分的温度场分布,并且可以模拟温度场随时间的变化过程。ab9cd10ef11图3.4为淬火加热过程不同时刻的温度场云图分布（单位：）。图3.4分别为60Si2Mn弹簧钢在(a)30s、(b)60s、(c)300s、(d)600s、(e)1800s、(f)2400s时加热的温度分布云图。从这些图中可以看出，温度场的计算模拟可以直观形象的表达出在淬火加热过程中，任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。选取某些特定点A(0,0)、B(0,0.02)、C(0.02,0.02)、D(0.02,0)，观察其温度变化：温度（单位：）温度（单位：）时间（单位：s)时间（单位：s)12把它们的温度变化汇总一下：图3.5为选取的4个点的温度变化图，其中C点是工件的边缘，B点位于工件中心线的最顶端，D点是表面的中心，A点位于工件中心。3.1.3结果与分析由图3.4可以看出，在30s时工件表面温度迅速上升到313.6，中心温度缓慢温度（单位：）温度（单位：）温度（单位：）时间（单位：s)时间（单位：s)时间（单位：s)13上升。从图3.4(c)可以看出在300s时，工件中心温度有了明显的上升，达到了762.5。从这些图中可以看出，在加热过程中，工件温度不断上升且在任意时刻中心温度一直不高于表面温度，这完全符合实际生产。另外，随着时间的推移，二者的温度差也在逐渐缩小。对于半径0,.02m，高0.04m的60Si2Mn弹簧钢工件从20加热至870至少需要40分钟，一个小时就可以使温度达标。由图3.5可知各点温度都随时间的延长而升高，只是速率不同。其中C点是工件的边缘，其升温速度最快；B点位于工件中心线的最顶端，D点是表面的中心，二者升温速度相差不大；A点位于工件中心，其升温速度最慢；并且其它所有位置的升温速率都介于A点和C点之间。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只需在模型中选取相应节点即可。综上可得：工件上所有点的升温速率都随时间的增加而逐渐减小。3.2淬火冷却过程模拟3.2.1有限元建模有限元建模见3.1.1。3.2.2模拟过程由制定的求解条件可以得到退火冷却过程3600s内零件各部分的温度场分布,并可以模拟温度场随时间变化过程。a14bc15de16fg17图3.6为淬火加热过程不同时刻的温度场云图分布（单位：）图3.6分别为60Si2Mn弹簧钢在退火冷却过程中（a）30s、（b）60s、（c）300s、（d）600s、（e）1200、（f）1800s、（g）2400s时的温度分布云图。选取某些特定点A(0,0)、B(0,0.02)、C(0.02,0.02)、D(0.02,0)，观察其温度变化：温度（单位：）时间（单位：s)18图3.7为选取的4个点的温度变化图，a图为在3600s内各点的变化情况，b图为各点在600s内的变化情况。3.2.3结果与分析由图3.6可以看出，在30s时工件表面迅速下降至694.6，而中心温度几乎不变。从图3.6(e)可以看出在1200s时，工件中心温度明显的下降，达到了10.2。从这些图中可以看出，在冷却过程中，工件温度不断降低且在任意时刻中心温度一直高于表面温度，这与实际生产相符合。另外，随着时间的推移，二者的温度差也在逐渐缩小。对于半径0,.02m，高0.04m的60Si2Mn弹簧钢工件从870油冷至10至少需要半小时就可以使温度达标。由图3.7可知各点温度都随时间的延长而降低，只是速率不同。其中C点是工件的边缘，其降温速度最快；B点位于工件中心线的最顶端，D点是表面的中心，二者降温速度相差不大；A点位于工件中心，其降温速度最慢；并且其它所有位置的降温速率都介于A点和C点之间。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只需在模型中选取相应节点即可。综上可得：工件上所有点的降温速率都随时间的增加而逐渐减小。3.3回火加热过程模拟3.3.1有限元建模时间（单位：s)温度（单位：）19有限元建模见3.1.1。3.3.2模拟过程由制定的求解条件可以得到回火加热过程3600s内零件各部分的温度场分布,并且可以模拟温度场随时间的变化过程。ab20cd21图3-8-4600sef22图3.8为淬火加热过程不同时刻的温度场云图分布（单位：)图3.8分别为60Si2Mn弹簧钢在回火加热(a)30s、(b)60s、(c)300s、(d)600s、(e)1200s、(f)1800s、(g)2100s时的温度分布云图。选取某些特定点A(0,0)、B(0,0.02)、C(0.02,0.02)、D(0.02,0)，观察其温度变化：g23图3.9为选取的4个点的温度变化图，a图为在3600s内各点的变化情况，b图为各点在600s内的变化情况。3.3.3结果与分析由图3.8可以看出，在30s时工件表面温度升高到184.9，中心温度变化缓慢。从图3.8(d)可以看出在300s时，工件心部温度有了明显的上升，达到了443.2，并时间（单位：s)时间（单位：s)温度（单位：）温度（单位：）时间（单位：s)24且中心与表面的温度差很小。从这些图中可以看出，在加热过程中，工件温度不断上升且在任意时刻中心温度一直不高于表面温度，这完全符合实际生产。另外，随着时间的推移，二者的温度差也在逐渐缩小。对于半径0,.02m，高0.04m的60Si2Mn弹簧钢工件从25加热至480仅仅需要半个小时。由图3.9可知各点温度都随时间的延长而升高，只是速率不同。其中C点是工件的边缘，其升温速度最快；B点位于工件中心线的最顶端，D点是表面的中心，二者升温速度相差不大；A点位于工件中心，其升温速度最慢；并且其它所有位置的升温速率都介于A点和C点之间。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只需在模型中选取相应节点即可。综上可得：工件上所有点的升温速率都随时间的增加而逐渐减小。3.4回火冷却过程模拟3.4.1有限元建模有限元建模见3.1.1。3.4.2模拟过程由制定的求解条件可以得到回火冷却过程3600s内零件各部分的温度场分布,并且可以模拟温度场随时间的变化过程。a25bc26de27图3.10分别为60Si2Mn弹簧钢在回火冷却过程中(a)30s、(b)60s、(c)300s、(d)600s、(e)1200s、(f)2100s时的温度分布云图选取某些特定点A(0,0)、B(0,0.02)、C(0.02,0.02)、D(0.02,0)，观察其温度变化：f温度（单位：）28图3.11为选取的4个点的温度变化图，a图为在1200s内各点的变化情况，b图为各点在300s内的变化情况。3.4.3结果与分析从图3.10中可以看出，温度场的计算机模拟可以直观形象的表达出在回火冷却过程中，任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。由图3.10(a)可知，时间（单位：s)时间（单位：s)温度（单位：）时间（单位：s)29在30s时工件表面迅速下降至383.8，中心温度变化也较大。从图3.10(e)可以看出在1200s时，工件整体温度明显下降，几乎全部达到25。从这些图中可以看出，在冷却过程中，工件温度不断降低且在任意时刻中心温度一直高于表面温度，这完全符合实际生产。另外，随着时间的推移，二者的温度差也在逐渐缩小。对于半径0,.02m，高0.04m的60Si2Mn弹簧钢工件从480空冷至25时只需120分钟，表明空冷的效果非常明显。由图3.11(b)可知各点温度都随时间的延长而降低，只是速率不同。其中C点是工件的边缘，其降温速度最快；B点位于工件中心线的最顶端，D点是表面的中心，二者降温速度相差不大；A点位于工件中心，其升温速度最慢；并且其它所有位置的降温速率都介于A点和C点之间。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只需在模型中选取相应节点即可。综上可得：工件上所有点的降温速率都随时间的增加而逐渐减小。304结论本文以有限元法为理论基础，建立了于有限元数值模拟的二维轴对称计算模型。本文还利用ANSYS软件对60Si2Mn弹簧钢热处理过程进行了模拟计算，分析了工件温度场分布的规律。通过近半年来对本课题的研究工作，主要的结论有：1.模拟热处理过程中，模拟的温度场以中心位置为圆心，呈同心圆分布。2.在温度场模拟时，设定了实际过程中的初始条件及边界条件,综合考虑了热物性参数等非线性因素的影响,大大减小了通用有限元软件处理淬火过程非线性问题时只能以常数代替所引起的模拟误差。3.加热（冷却）过程中，圆柱体工件的中心位置的升（降）温速度与圆柱体工件的底面半径和高度有关，底面半径越大，高度越高，中心位置的升（降）温速度越慢，反之则越快。31参考文献1杨凌平.60Si2Mn的应用及热处理J.模具工程，2005（06）：3-52杨凌平.60Si2Mn的应用及热处理J.模具工程，2005（06）：6-73赖宏,刘天模