45钢热处理油冷过程分析_第1页
45钢热处理油冷过程分析_第2页
45钢热处理油冷过程分析_第3页
45钢热处理油冷过程分析_第4页
45钢热处理油冷过程分析_第5页
已阅读5页,还剩41页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

任务书设计题目45钢热处理油冷过程分析1设计的主要任务及目标建立有限元模型,模拟45钢热处理油冷过程温度场分布;通过实验研究,分析热处理前后45钢组织和力学性能的变化,为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2设计的基本要求和内容1)设计的基本要求论文结构完整,层次分明,语言顺畅;避免错别字和错误标点符号;论文格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。2)设计内容模拟45钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系;研究45钢热处理前后组织及力学性能的变化;与45钢水淬后的组织和力学性能进行比较,分析原因。3主要参考文献1)ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用J冶金能源,2004(05)2)钢件淬火过程温度场的数值模拟J热加工工艺技术与材料研究,2008(11)3)ANSYS100热分析教程与实例解析4)45钢零件淬火过程温度场分布的数值模拟J重庆大学学报,2003(03)5材料科学基础(铁碳合金相图与热处理部分)4进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅文献,了解软件,完成开题报告20140110至201403102阅读文献,深入学习软件,确定实验方案20140310至201403313进行模拟计算和试验,准备中期检查20140401至201404204完成模拟计算和试验及结果分析20140420至201405155撰写毕业论文,准备答辩20140515至2014060545钢热处理油冷过程分析摘要45钢是中碳优质结构钢,WC045,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。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,它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用1。对于性能要求高的零件,必须进行调质处理。而对45钢进行调质热处理,为了得到回火索氏体,而使其具有良好的综合力学性能。本文研究课题通过实验和软件模拟,包括对45钢热处理油淬以及对热处理前后45钢的力学性能测试并进行前后对比,同时与水淬进行比较,由于工件在淬火过程中因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钢热处理油淬过程的温度场进行模拟,分析工件的各个部分在热处理油淬过程中的温度变化情况,为优化热处理工艺,使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。关键词45钢,热处理,力学性能,温度场模拟IHEATTREATMENTOF45STEELOILCOOLINGPROCESSANALYSISABSTRACT45STEELISCARBONINTHEHIGHQUALITYSTEEL,WC045,HOTANDCOLDPROCESSINGPERFORMANCEISGOOD,BETTERMECHANICALPROPERTIES,ANDLOWPRICE,WIDESOURCE,SOWIDELYUSEDOFTENUSEDINTHESMALLCROSSSECTION,THELOADOFCONDITIONINGPARTS,SUCHASMAINSHAFT,CRANKSHAFT,GEAR,CONNECTINGROD,SPROCKET,ETC,ITISTHEBIGGESTWEAKNESSOFLOWHARDENABILITY,SECTIONSIZEANDREQUIREHIGHERARTIFACTSSHOULDNOTBEUSED1FORTHEHIGHPERFORMANCEREQUIREMENTSOFPARTS,CONDITIONINGTREATMENTMUSTBECARRIEDOUTANDTEMPERINGHEATTREATMENTOF45STEEL,INORDERTOGETTEMPEREDSORBITEANDMAKEITHASGOODCOMPREHENSIVEMECHANICALPROPERTIESTHISPAPERRESEARCHTOPICTHROUGHEXPERIMENTANDSOFTWARESIMULATION,INCLUDINGHEATTREATMENTOILQUENCHINGOF45STEELANDTHEMECHANICALPROPERTIESOF45STEELBEFOREANDAFTERTHEHEATTREATMENTTESTANDCOMPAREDBEFOREANDAFTER,ATTHESAMETIMECOMPAREDWITHWATERQUENCHING,BECAUSEOFTHEWORKPIECEDURINGQUENCHINGBECAUSEOFINTERNALANDEXTERNALTEMPERATUREDIFFERENCEWILLLEADTOTHEGENERATIONOFTHERMALSTRESSANDORGANIZATIONSTRESS,USINGTHEFINITEELEMENTANSYSSOFTWAREOF45STEELOILQUENCHINGHEATTREATMENTPROCESS,TOSIMULATETHETEMPERATUREFIELDOFTHEANALYSISOFVARIOUSPARTSOFTHEWORKPIECEINTHEPROCESSOFOILQUENCHINGHEATTREATMENTTEMPERATURE,INORDERTOOPTIMIZETHEHEATTREATMENTPROCESS,THEWORKPIECEAFTERHEATTREATMENTTOOBTAINGOODPERFORMANCETOPROVIDEACERTAINBASISKEYWORDS45STEEL,HEATTREATMENT,MECHANICALPROPERTIES,THETEMPERATUREFIELDSIMULATION目录1绪论1245钢热处理工艺过程研究32145钢简介322热处理工艺方案确定3221热处理工艺的概念3222淬火加热温度及保温时间的确定4223回火加热温度及保温时间的确定623本章小结6345钢显微组织分析831实验过程概述832金相组织结果与分析833本章小结12445钢力学性能研究1341硬度测定13411布氏硬度测定13412洛氏硬度测定1542拉伸实验17421强度性能研究18422塑性性能研究1943本章小结20545钢油淬过程温度场模拟2151有限元模拟技术2152温度场模拟24521有限元模拟过程24522模拟结果与分析2853本章小结34参考文献36致谢3801绪论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。工业用钢中的碳素钢,由于价格低廉,便于冶炼,容易加工,且通过含碳量的增减和不同的热处理可使其性能得到改善,因此能满足很多生产上的要求,至今仍是应用最广泛的钢铁材料。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。结构钢是用于制造各种工程结构和各种机器零件的钢种,如船舶、桥梁、车辆、压力容器以及轴、齿轮、各种联接件等,其中用于制造工程结构的钢又称为工程用钢或构件用钢;机器零件用钢则包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等2。45钢是中碳优质结构钢,WC045,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。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。它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用1。对于性能要求高的零件,必须进行调质处理。而对45钢进行调质热处理,为了得到回火索氏体,而使其具有良好的综合力学性能。热处理工艺不改变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。而在热处理淬火工艺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4。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。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。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1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。45钢作为中碳优质结构钢,在使用前必须对其进行热处理,方能满足对其性能的要求。而热处理分为加热、保温、冷却三个过程,然而工件在淬火冷却过程中由于内外温差会导致热应力和组织应力的产生,这些对材料的力学性能具有重要的影响。因此,我们有必要对45钢热处理油淬过程的温度场进行模拟,以便分析工件各个部分在冷却过程中的温度变化情况,从而优化工艺,使工件最终获得优良的使用性能。本文研究课题通过实验和软件模拟,对45钢热处理油淬以及对热处理前后45钢的力学性能测试并进行前后对比,同时与水淬进行比较,由于工件在淬火过程中因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钢热处理油淬过程的温度场进行模拟,分析工件的各个部分在热处理油淬过程中的温度变化情况,为优化热处理工艺,使工件经热处理后获得优良的性能提供一定的依据。2245钢热处理工艺过程研究2145钢简介钢铁是以铁和碳为主要组成元素的合金材料。钢铁材料是工业中应用最广、用量最多的金属,其品种繁多、性能各异。根据钢材的用途可以分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类1。结构钢是用于制造各种工程结构和各种机器零件的钢种,如船舶、桥梁、车辆、压力容器以及轴、齿轮、各种联接件等,其中用于制造工程结构的钢又称为工程用钢或构件用钢;机器零件用钢则包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。其中,调质钢即经调质处理后使用的结构钢,这种钢有良好的综合力学性能,不但有很高的强度,而且有良好的塑性和韧性2。45钢是中碳优质结构钢,WC045,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应用广泛。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。它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用1。对于性能要求高的零件,必须进行调质处理。本实验45钢以退火状态交货。其化学成分为含碳042050,硅017037,锰050080,硫小于等于0035,磷小于等于0035,铬小于等于025,镍小于等于025。22热处理工艺方案确定221热处理工艺的概念金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以不同速度冷却的一种工艺方法。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,热处理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显微组织,或改变工件表面的化3学成分,赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的8。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。钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据,其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律,以获得所需性能。根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同,钢的热处理工艺可分为普通热处理,包括退火、正火、淬火和回火;表面热处理,包括表面淬火和化学热处理;及形变热处理等。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同,热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理9。对于碳钢的热处理,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。调质是淬火加高温回火的双重热处理,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类,不管是碳钢还是合金钢,其含碳量控制比较严格。如果含碳量过高,调质后工件的强度虽高,但韧性不够,如含碳量过低,韧性提高而强度不足。为使调质件得到好的综合性能,一般含碳量控制在030050。调质淬火时,要求工件整个截面淬透,使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织,根据如图21碳钢正常淬火温度范围来选择。之后通过高温回火,得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。此次试验为了使45钢具有良好的综合力学性能,对45钢进行了调质处理,其中包括油淬火与高温回火热处理。4图21碳钢正常淬火温度范围222淬火加热温度及保温时间的确定亚共析钢淬火时,要加热到AC3以上3050,经适当保温后,得到均匀细小的奥氏体。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AC1AC3之间,则碳钢的高温组织为奥氏体加铁素体,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。45钢的临界点AC1724,AC3780,所以淬火加热温度为810830,结合实际以及45钢常用热处理方法,确定45钢的淬火加热温度为840。为了使淬火加热组织即奥氏体充分转变,并使其具有均匀的碳浓度,碳钢加热到淬火温度后,还应有一定的保温时间。在实验室中,通常是将加热炉升温到淬火温度,然后向炉内装入试样进行加热。当试样升温至与炉温即淬火温度相同时,即进入保温阶段。保温时间与试样的有效尺寸有关,包括直径和厚度。在箱式电阻炉中加热试样的加热保温“总时间”即试样自装炉到出炉的总时间。如果装炉试样较多,可能出现试样的相互接触甚至堆集情况时,应适当延长加热保温总时间。根据热处理工艺规范与数据手册10中表39,箱式炉或井式炉中碳钢保温时间通常为1115MIN/MM,本实验选取加热保温时间为15MIN/MM,所以根据所给材料试样,确定直径为20MM的小圆柱体试样加热保5温时间为30MIN,由于冲击试样为国家标注试样,根据其尺寸确定加热保温时间为15MIN,同样,拉伸试样也是标准试样,根据其拉伸处尺寸确定其加热保温时间为15MIN由设计要求,对于保温后的45钢进行油冷。对于此部分冷却过程分析见ANASYS油淬过程模拟分析。实际淬火过程中,冷却速度是碳钢淬火过程中极重要的工艺规范。冷却速度不同,奥氏体的转变产物也不同。水冷时的冷却速度大于临界冷却速度VK,冷却后得到马氏体组织,硬度最高;在油中冷却时,得到马氏体加屈氏体混合组织,其淬火硬度比水冷试样的淬火硬度低一些;而冷却是在空气或炉中进行时,奥氏体则完全分解为索氏体或珠光体,硬度进一步降低。钢的冷却速度可以通过选择不同的冷却介质来控制。碳钢的奥氏体稳定性差,临界冷却速度大,通常要在冷却能力强的冷却介质中冷却才能得到马氏体组织1。223回火加热温度及保温时间的确定碳钢制件淬火后都必须进行回火处理,以减少或消除内应力,提高韧性,获得比较稳定的组织和性能。回火是将已淬火的碳钢加热到A1以上某一温度,适当保温一段时间,然后空冷或炉冷至室温。在回火的保温和冷却过程中,淬火马氏体和残余奥氏体都要发生分解和分解产物的聚集长大。随着回火温度的升高,淬火碳钢的组织将依次得到回火马氏体,回火屈氏体和回火索氏体,淬火碳钢的硬度将依次降低,韧性将逐渐回升,内应力也逐渐趋于消除。低温回火的温度一般为150250,淬火组织为马氏体的碳钢,常有少量残余奥氏体,在低温回火后获得回火马氏体,它仍保留着原来马氏体的针片或板条状形态,性能基本上与淬火马氏体相同,但脆性较低。中温回火的温度一般为350500回火后的组织为极细颗粒的渗碳体加针状铁素体,即回火屈氏体,此时,钢的硬度有明显降低,而刚的弹性的韧性较高。高温回火的温度一般500650,回火后的组织为细粒状渗碳体加铁素体,即回火索氏体,淬火加高温回火又称调质,调质后钢的硬度降低较多,而韧性大幅度提高。6此次试验为了使45钢具有良好的综合力学性能,故选取高温回火,回火温度为600。回火的加热保温时间主要根据试样的有效尺寸来确定。由金属学与热处理资料,回火一般为12H,选取回火时间为1H。碳钢的回火冷却无特殊要求,一般可在空气中冷却。选取空冷。23本章小结通过对热处理工艺的研究,最终确定了热处理工艺方案,对试样采用调质处理,其包括两个工艺过程第一,淬火过程,图22为淬火工艺曲线示意图1加热对45钢各种试样进行加热,其包括小圆柱体试样、冲击试样、拉伸试样,加热温度为840;2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15MIN,同样,对拉伸试样加热保温时间为15MIN;其中保温时间是指试样放入加热炉中后,加热炉中温度再次达到加热温度840时开始计时;3冷却当试样完成加热后,迅速从加热炉中取出试样进行冷却,对所有试样均采用油冷;入炉保温出炉油冷7图2245钢淬火工艺曲线示意图第二,回火过程1加热对45钢各种试样进行加热,其包括小圆柱体试样、冲击试样、拉伸试样,加热温度为600;2保温对所有试样均采用回火保温1H;其中保温时间是指试样放入加热炉中后,加热炉中温度再次达到加热温度600时开始计时;3冷却当试样完成加热后,从加热炉中取出试样进行冷却,对所有试样均采用空冷。345钢显微组织分析31实验过程概述显微分析是研究金属内部组织的最重要的方法。试样表面比较粗糙时,由于对入射光产生漫射,无法用显微镜观察其内部组织。因此,我们要对试样表面进行加工,通常是用磨光和抛光的方法,以得到一个光亮的镜面。这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态,也就是说,不能在制样过程中使表层发生任何组织变化8。获得具备这种条件的试样表面,才算是完成了制备阶段。仅具有光滑平面的试样,在显微镜下只能看到白亮的一片,而看不到其组织细8节,这是由于大多数金属组织中不同的相,对于光具有相近的反射能力的缘故。为此,必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀,使试样表面有选择地溶解掉某些部分如晶界,从而显现微小的凹凸不平。这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内8,这时用显微镜就可以看清楚试样组织的形貌,大小和分布,这就是组织显示阶段。完成了以上两个阶段后,就可以进入显微分析的第三阶段,既显微组织的观察和分析。其中试样的制备和组织的显示,包括取样、镶样、磨光、机械抛光、用4硝酸酒精溶液进行腐蚀等。最后对组织进行观察拍照。图31FEFE3C相图32金相组织结果与分析在全组人员的共同努力下,通过对45钢试样进行磨光,机械抛光,并由表31合理选择腐蚀液进行腐蚀,并且对所得到的金相组织进行显微观察后拍照,最后得到了金相组织图。其中45钢退火状态金相组织如图32,45钢调质处理(油淬)后组织状态如图33,45钢调质处理(水淬)后组织状态如图34。而铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下如退火状态即接近平衡状态时所得到的组织。我们可以根据图31来分析铁碳合金在平衡状态下的显微组织。铁碳合金的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁的室温组织。从FEFE3C相图可见,碳钢和白口铁的室温组织均由铁素体和渗碳体这两个基本相所组成。但是由于含碳量不同,铁素体和渗碳体的相对数量,析出条件以及分布情况均有所不同,因而呈现各种不同的组织形态。本实验未进行热处理实验的组织属于退火状态组织,热处理实验后的组织属于调质处理后的组织。如表31铁碳合金室温下基本组织组成物的显微组织特征可基本了解热处理前后组织状态。9图3245钢退火组织状态图3345钢调质处理(油淬)后组织状态。10图3445钢调质处理(水淬)后组织状态表31各种铁碳合金在室温下的显微组织类型含碳量()显微组织侵蚀剂工业纯铁002铁素体4硝酸酒精溶液亚共析钢00208铁素体珠光体4硝酸酒精溶液共析钢08珠光体4硝酸酒精溶液碳钢过共析钢08211珠光体二次渗碳体苦味酸钠溶液,渗碳体变黑或呈棕红色亚共晶白口铁21143珠光体二次渗碳体莱氏体4硝酸酒精溶液共晶白口铁43莱氏体4硝酸酒精溶液白口铸铁过共晶白口铁43669莱氏体二次渗碳体4硝酸酒精溶液对于用浸蚀剂显露的碳钢和白口铸铁。在金相显微镜下具有下面几种基本组织组成物铁素体(F),铁素体是在碳在FE中的固溶体。铁素体为体心立方晶格,具有磁性及良好的塑性,硬度较低,用34硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的等轴晶粒;亚共析刚中铁素体呈块状分布;当含碳量接近于共析成分时,铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周围;渗碳体FEFE3C,渗碳体是铁和碳形成的一种化合物,其含碳量为669,质硬而脆,耐腐蚀性强,经34硝酸酒精溶液浸蚀后,渗碳体呈亮白色,若用苦味酸钠溶液浸蚀,11则渗碳体能被染成黑色或棕红色,而铁素体仍为白色,由此可区别铁素体与渗碳体。按照成分和形成条件的不同,渗碳体可以呈现不同的形态一次渗碳体是直接由液体中结晶出来的,故在白口铸铁中呈粗大的条片状;二次渗碳体是从奥氏体中析出的,往往呈网络状沿奥氏晶界分布;三次渗碳体是从铁素体中析出的,通常呈不连续薄片状存在于铁素体晶界处,数量极微可忽略不计。珠光体P,珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。在一般退火处理情况下,是由铁素体与渗碳体相互混合交替排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液侵蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特性的珠光体组织2。FEFE3C相图的各种合金,按其含碳量与平衡组织的不同,可分为工业纯铁,碳钢及白口铸铁3类。其中碳钢又分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。由于本设计是对于45钢的研究,其属于亚共析钢钢,而亚共析钢的含碳量在0021808范围内,其组织有铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加,铁素体的数量则相应的逐渐减少,而珠光体的数量则相应增多,两者的相对量可由杠杆定律求得。在本实验中,由金相组织照片可以得到,对于的退火状态45钢,得到由白色晶粒状铁素体和黑色块状、片状的珠光体组织;经过调质处理后的45钢所得到的由颗粒状渗碳体和多边形铁素体组成的回火索氏体组织,而水淬得到的回火索氏体组织中颗粒状渗碳体和多边形铁素体更均匀,含量相对于油淬处理后的高。33本章小结FEFE3C相图的各种合金,按其含碳量与平衡组织的不同,可分为工业纯铁,碳钢及白口铸铁3类。其中碳钢又分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。由于本设计是对于45钢的研究,其属于亚共析钢钢,而亚共析钢的含碳量在0021808范围内,其组织有铁素体和珠光体所组成。随着含碳量的增加,铁素体的数量则相应的逐渐减少,而珠光体的数量则相应增多,两者的相对量可由杠杆定律求得。由于热处理前后组织的变化,导致材料内部晶体结构发生变化,从而导致由于材料的晶体结构变化,产生不同方面性能的变化,就此我们在接12下来对45钢进行力学性能的研究,进一步比较热处理对钢性能变化的影响。对于本实验所得金相组织的基础上,比较不同组织下材料的性能。在本实验中,由金相组织照片可以得到,对于的退火状态45钢,得到由白色晶粒状铁素体和黑色块状、片状的珠光体组织;经过调质处理后的45钢所得到的由颗粒状渗碳体和多边形铁素体组成的回火索氏体组织,而水淬得到的回火索氏体组织中颗粒状渗碳体和多边形铁素体更均匀,含量相对于油淬处理后的高。同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,由于淬火冷却介质不同,即导致冷却速度不同,奥氏体的转变产物也不同。水冷时的冷却速度大于临界冷却速度VK,冷却后得到马氏体组织;在油中冷却时,得到马氏体加屈氏体混合组织,后经过同样的回火过程,由于马氏体的含量不同导致回火后组织含量不同。445钢力学性能研究41硬度测定411布氏硬度测定(1)实验操作根据表41布氏硬度试验规范,确定压头直径,载荷及载荷的保持时间9。表41布氏硬度试验规范13由于所给材料是45钢,45钢是中碳结构钢,并且交货状态是退火状态,式样厚度大于36MM,所以选取钢球直径为10MM,载荷P3000(KGF),载荷保持时间为10S。本实验45钢热处理采用调质处理,通过布氏硬度试验规范选取钢球直径为10MM,载荷P3000(KGF),载荷保持时间为10S如41所示布氏硬度计,一切准备就绪后施加载荷将钢球压入试样,施加载荷时间为10秒。根据压痕平均直径,由“布氏硬度换算表”查得布氏硬度值。图41布氏硬度计14(2)实验数据记录表42布氏硬度测试结果试验规范实验结果第一次第二次第三次项目材料及处理状态钢球直径D/MM载荷F/NF/D2压痕直径D/MM硬度值HBS压痕直径D/MM硬度值HBS压痕直径D/MM硬度值HBS平均硬度值HBS45钢退火状态47216148015647016316045钢调质处理(油淬)39623439223939623423645钢调质处理(水淬)10300030374263376260370269264(3)实验数据分析通过合理选择布氏硬度测试方法及实验操作后,表42布氏硬度测试结果我们可以看到,对于退火状态的45钢,所测得平均硬度值为160HBS;对于调质处理(油淬)的45钢,所测得平均硬度值为236HBS;对于调质处理(水淬)的45钢,所测得平均硬度值为264HBS;通过硬度的对比我们发现经过调质处理后,45钢的硬度明显得到提高,而对于不同的淬火介质,同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,水淬处理的硬度要比油淬处理的硬度高。这是由于冷却速度不同,奥氏体的转变产物也不同。水冷时的冷却速度大于临界冷却速度VK,冷却后得到马氏体组织,硬度高;在油中冷却时,得到马氏体加屈氏体混合组织,经过相同的回火后,得到含渗碳体和铁素体组成含量不同的回火索氏体,所以经过调质处理后的45钢比退火状态的45钢硬度明显提高,同15时水淬处理硬度比油淬处理试样的硬度高一些。412洛氏硬度测定(1)实验操作由表43根据试样材料及预计硬度范围,选择压头类型和初、主载荷9。由于实验中未进行热处理的45钢属于退火状态的钢,所以按照表43确定其压头类型用直径为1588MM钢球,载荷为100KGF进行硬度测试;而本实验对45钢进行的是调制处理,所以热处理后的45钢属于调质钢,所以按照表43确定其压头类型用120金刚石圆锥体,载荷为150KGF进行硬度测试。准备就绪后用如图42洛氏硬度计进行试验,直接由洛氏硬度计读取所测得洛氏硬度值,并进行数据记录。图42洛氏硬度计表43常用的三种洛氏硬度实验规范符号压头类型载荷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16面淬火层或渗碳层HRB直径为1588MM钢球10025100(相当HB60230)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HB230700)适用于调质钢、淬火钢等(2)实验数据记录按照实验步骤完成了实验,并对实验结果进行了记录,实验数据记录如表44洛氏硬度测试结果。表44洛氏硬度测试结果(3)实验数据分析同布氏硬度一样,通过合理选择洛氏硬度硬度测试方法及实验操作后,我们通过表44洛氏硬度测试结果可以看到,对于退火状态的45钢,所测得平均硬度值为336HRB;对于调质处理(油淬)的45钢,所测得平均硬度值为192HRC;对于调质处理(水淬)的45钢,所测得平均硬度值为269HRC。通过硬度的对比我们发现经过调质处理后,45钢的硬度明显得到提高,而对于不同的淬火介质,同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,水淬处理的硬度要比油淬处理的硬度高。这是由于冷却速度不同,奥氏体的转变产物试验规范测得硬度值项目材料及处理状态压头载荷KGF硬度标尺第一次第二次第三次第三次平均硬度值45钢退火状态直径为1588MM钢球100HRB32734434532633645钢调质处理(油淬)120金刚石圆锥体150HRC19518619519319245钢调质处理(水淬)120金刚石圆锥体150HRC26726627427026917也不同。水冷时的冷却速度大于临界冷却速度VK,冷却后得到马氏体组织,硬度高;在油中冷却时,得到马氏体加屈氏体混合组织,经过相同的回火后,得到含渗碳体和铁素体组成含量不同的回火索氏体,所以经过调质处理后的45钢比退火状态的45钢硬度明显提高,同时水淬处理硬度比油淬处理试样的硬度高一些。42拉伸实验对于拉伸实验,首先对实验的目的、实验设备、实验式样以及拉伸步骤进行了解,确定实验所要进行的内容;同时为了使实验测得的材料的力学性能可以相互比较,对于拉伸的试样尺寸与形状按照国家标准金属拉伸试验试样获得。所进行试验的试样属于短比例试样11,如图43拉伸试样图和图44所示。最后按照拉伸步骤进行拉伸试验并记录数据。图43拉伸试样图18图44从左到右依次是45钢退火组织试样、调质热处理试样(油淬)、调质热处理试样(水淬)421强度性能研究1)试验数据记录表45拉伸测试结果强度指标强度指标项目材料及处理状态原始标距LOMM原始直径DOMM屈服载荷PSN最大载荷PBNS(MPA)B(MPA)45钢退火状态37000544004713693045钢调质处理(油淬)50103980059000507075161945钢调质处理(水淬)5500062000700678982实验数据分析通过表45拉伸试验数据可以看到45钢退火状态的屈服强度是4713MPA,抗拉强度是6930MPA;调质处理(油淬)后屈服强度是5070MPA,抗拉强度是7516MPA,调质处理(水淬)后屈服强度是7006MPA,抗拉强度是7898MPA,经过调质热处理的45钢与退火状态的45钢进行对比,调质处理后的45钢屈服强度、抗拉强度明显得到提高,总的来说经过调质热处理的45钢强度得到了提高,而对于不同的淬火介质,同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,水淬处理的强度要比油淬处理的强度度高。结合热处理实验所得金相组织,同时综合拉伸试验,我们可以分析,这是由于45钢淬火后得到过饱和的固溶体即淬火马氏体,它的硬度和强度很高,为了消除淬火时的内应力和组织应力,淬火的工件及时进行回火处理当回火温度达600时,马氏体则发生分解,析出极细的渗碳体颗粒,从而使基体分解为索氏体组织,此时工件强度和硬度有所下降,但总的来说经过热处理的45钢强度都得到了很好的改善,因此,可以获得良好的综合力学性能,来适应制造要求强度较高机械零件。422塑性性能研究(1)试验数据记录表46拉伸测试结果塑性指标拉断后尺寸塑性指标项目材料及处理状态原始标距LOMM原始直径DOMM断后伸长量LMM断后直径DMM()()45钢退火状态50102474048452045钢调质处理(油淬)20664405645钢调质处理(水淬)2163042602实验数据分析由表46拉伸试验数据可以分析45钢退火状态的延伸率是48,断面收缩率是45;调质处理(油淬)后延伸率是40,断面收缩率是56,调质处理(水淬)后延伸率是42,断面收缩率是60,经过调质热处理的45钢与退火状态的45钢进行对比,调质处理后的45钢断面收缩率增大,延伸率有所降低,总的来说经过调质热处理的45钢塑性有所下降,而对于不同的淬火介质,同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,水淬处理的塑性要比油淬处理的塑性好些。结合热处理实验所得金相组织,同时综合拉伸试验,我们可以分析,这是由于45钢淬火后得到过饱和的固溶体即淬火马氏体,它的硬度和强度很高,而其韧性及塑性则明显下降,为了消除淬火时的内应力和组织应力,淬火的工件及时进行回火处理当回火温度达600时,马氏体则发生分解,析出极细的渗碳体颗粒,从而使基体分解为索氏体组织,此时工件强度和硬度有所下降,而塑性及韧性则明显得到提高,总而言之经过热处理的45钢塑性得到了很好的改善。因此,可以获得良好的综合力学性能,来适应制造要求塑性好的机械零件。43本章小结通过表44和45拉伸试验数据可以看到经过调质热处理的45钢与退火45钢进行对比,调质处理后的45钢屈服强度、抗拉强度明显得到提高,断面收缩率增大,延伸率有所降低,总的来说经过调质热处理的45钢强度得到了提高,但塑韧性有所下降;而对于不同的淬火介质,同样的热处理条件下,经过调质处理的45钢,水淬处理的强度要比油淬处理的强度度高,塑韧性也相对较好。21结合热处理实验所得金相组织以及布氏硬度、洛氏硬度试验,同时综合拉伸试验,我们可以分析,这是由于45钢淬火后得到过饱和的固溶体即淬火马氏体,它的硬度和强度很高,而其韧性及塑性则明显下降,为了消除淬火时的内应力和组织应力,淬火的工件及时进行回火处理当回火温度达600时,马氏体则发生分解,析出极细的渗碳体颗粒,从而使基体分解为索氏体组织,此时工件强度和硬度有所下降,而塑性及韧性则明显得到提高,总而言之经过热处理的45钢强度、硬度以及塑韧性都得到了很好的改善,因此,可以获得良好的综合力学性能,来适应制造要求强度较高,塑性韧性也好的机械零件。545钢油淬过程温度场模拟51有限元模拟技术在科学技术领域内,对于许多力学问题和物理问题,人们已经得到了它们应遵循的基本方程(常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单,且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题,由于方程的某些特征的非线性性质,或由于求解区域的几何形状比较复杂,则不能得到解析的答案,这类问题的解决途径通常有两种途径。一是引入简化假设,将方程和几何便捷简化为能够处理的情况,从而得到问题在简化状态下的解答。但是这种方法只是在有限的情况下是可行的,因为过多的简化导致误差很大甚至错误的解答。因此人们多年来寻找和发展了另一种途径和方法数值解法,特别是近三十年来,随着计算机的飞速发展和广泛应用,数值分析法已经成为求解科学技术问题的主要工具。而有限元法的出现,是数值分析方法研究领域内的重大性突破12。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合,且单元本身又可以有不同的形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解区域上待求的未知场函数,单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其差值函数来表达。这样一来,一个问题的有限元分析中,未知场函数在各个节点上的数值就成为新的22未知量,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量,就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值,从而得到整个求解域上的近似解。显然,随着单元数目的增加,也即单元尺寸的缩小,或者随着单元自由度的增加及函数精度的提高,解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解13。而其中ANSYS软件是融结构、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机到工作站直至巨型计算机,ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容14。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,如热结构耦合、磁结构耦合以及电磁流体热耦合,在PC机上生成的模型同样可运行与巨型机上,这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。该软件提供了一个不断改进的功能菜单,具体包括结构高度非线性分析、计算流体动力学分析、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。另外,ANSYS可与许多先进的CAD软件共享数据,并为各个工业领域的用户提供了分析各种问题的能力。ANSYS设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方案,并能通过良好的用户界面完成分析。利用ANSYS的数据接口,可精确的将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS,而不必因为在分析系统中重新建模而费时耗力,同时还可以利用ANSYS程序的高级功能,例如非线性、电磁场以及计算流体动力学。ANSYS数据接口程序还可以镶嵌在CAD环境中,用户可直接在CAD的界面下在CAD的模型上进行某些分析工作,并能保持CAD数据和分析数据间的相关性。ANASYS用于计算一个系统或部件的温度分布以及其他热物理参数,其热分析基于能力守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点温度,并导出其他物理参数15。ANASYS100热分析分类,主要有两大类稳态传热温度分布场不随时间变化和瞬态传热温度分布场随时间发生明显变化。其中分析基本符号与单位如表51热分析基础单位和表52热分析单位换算表所示。表51热分析基础单位23注在热分析中,摄氏度和华氏摄氏度换算关系为15/9(32)项目国际单位英制单位ANASYS代号长度MFT时间SS质量KG1BM温度力N1BF能量(热量)JBTU功率(热流率)WBTU/SEC热流密度W/MBTU/SECFT生热速率W/MBTU/SECFT导热系数W/MBTU/SECFTKXX对流系数W/MBTU/SECFTHF密度KG/M1BM/FTDENS比热J/KGBTU/1BMC焓J/MBTU/FTENTH换算系数物理量符号国际单位制单位英制单位PA1BF/IN1145038104压力P68947B101KJ/KGKBTU/1B1238846101比热容C4186801WBTU/S1341208热流率(功率)Q2930761011热流密度QW/MBTU/(SFT)24表52热分析单位换算表其中稳态传热对于分析稳定的热载荷在系统或某一部件的影响,一般情况下在进行瞬态热分析以前都会进行稳态分析,这样可以确定初始温度分布。稳态热分析一般可以在有限元计算中确定稳定热载荷得到温度、热量梯度、热流率等参数的情况。瞬态热分析是用于分析计算随时间变化的温度场和其他热参数的系统。研究上基本用瞬态热分析分析温度场,作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的步骤类似于稳态热分析。它们的主要区别是各自的载荷是随时间的变化是否发生变化。时间在稳态热分析中仅用于计数,现在有了明确的物理意义。热能存储效应在稳态分析忽律其影响,在瞬态分析要考虑进去。“时间”在两者中都用作步进参数。每个载荷步和子步都和特定的时间有关系,即使求解本身可能不随速率而变化。但无论是稳态热分析还是瞬态热分析,均可将热分析分为三个步骤前处理,进行建模;求解,施加载荷计算结果;后处理,查看结果。52温度场模拟521有限元模拟过程(1)建模方案45钢热处理油淬冷却过程属于瞬态热传导问题。我们可取45钢热处理试样为圆柱体,设圆柱底面半径R10MM,高H14MM。由于该45钢热处理试样为圆柱体,为轴对称模型,同时旋转面也是上下对称,故可以取该圆柱的一旋转面的一半,建立一个二维模型,使模拟过程得以简化。取室温为20,将加13169931013154641W/MKBTU/SFT173076577781101热导率1730761W/MK11176108101表面传热系数HF567832125热到840的45钢放入处在室温下的矿物油中进行淬火。对于矿物油查得确定其对流系数为70W/(S),在模拟中统一单位为国际单位。图5145钢圆柱体试样模型(单位MM)图52温度场模拟模型及建模面图53圆柱体纵截面(单位MM)图54建模截面(单位MM)(2)模拟实验步骤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OK,然后点击CLOSE。第三步定义材料性能参数1645钢的相关热物性参数如表53表5345钢热物性参数T/KGM3CP/JKG/WM11004804353262004984044300524381340056036025006153416600700319870085428668008062649900由于45钢的密度随温度变化不大故取近似值78006372592选择MAINMENUPREPROCESORMATERIALPROPSTEMPERATUREUNITS,在弹出的SPECIFYTEMPERATUREUNITS对话框中选择CELSIUS,表明以摄氏零度作为温度起点。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。增加温度到T9后输入坯料参数。点击GRAPH,坯料热导率随温度变化曲线如图55所示,然后点击OK,关闭设置界面。图55坯料热导率随温度变化曲线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。点击GRAPH,坯料比热容随温度变化曲线如图56所示,然后点击OK,关闭设置界面。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。27图56坯料比热容随温度变化曲线第四步创建几何模型、划分网格建立坯料几何模型选择MAINMENUPREPROCESORMODELINGCREATAREASRECTANGLEBYDIMENSIONS,按图57所示在弹出的对话框中输入参数后单击OK。图57模型建立设置单元个数选择MAINMENUPREPROCESORMESHINGSIZECNTRLSMANUALSIZELINESALLLINES命令,出现ELEMENTSIZEONALLSELECTEDLINES菜单,在NDIV文本框中输

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论