45钢热处理水冷过程分析

1、45钢热处理水冷过程分析任务书1. 设计的主要任务及目标建立有限元模型，模拟45钢热处理水冷过程温度场分布；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钢热处理水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；与合金钢水淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。3.1234主要参考文献ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用

2、J.冶金能源，2004 ( 05) 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 ANSYS10.0热分析教程与实例解析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) 材料科学基础(铁碳合金相图与热处理部分)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2014.01.10 至 2014.03.102阅读文献，深入学习软件，确定实验方案2014.03.10 至 2014.03.313进行模拟计算和试验，准备中期检查2014.04.01 至 2014.04.204完成模拟计算和试验及结果分析2014.04.20 至 2014.0

3、5.155撰写毕业论文，准备答辩2014.05.15 至 2014.06.054.45 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

4、 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4Heat treatme nt of 45 steel cooli ng p rocess an alysisAbstract: 45 steel is carb on in the high

5、-quality steel, Wc = 0.45%, hot and cold p rocess ing p erforma nee is good, better mecha ni cal prop erties, and low cost, easy to get, so widely used in mach inery manu facturi ng. Ofte n used in the small cross sect ion, the load of con diti oning p arts, such as main shaft, cran kshaft, gear, co

6、nn ect ing rod, sp rocket, etc., its biggest weak ness low harde nability, sect ion size and requires high work piece is not suitable for adop ti on. Higher requireme nts for p erforma nee p arts, con diti oning treatme nt must be carried out. After tempering p rocess on 45 steel, get eve niy temp e

7、red sorbite, making it has better comp rehe nsive mecha ni cal prop erties.Study this subject mai nIy through exp erime nt and ANSYS software simulatio n.In clud ing water que nching heat treatme nt of 45 steel and heat treatme nt before and after the con trast of mecha ni cal prop erties and micros

8、tructure of 45 steel; Also, the mechanical properties of 40 cr alloy steel heat treatment and water quenching;Work pi ece duri ng que nchi ng temp erature differe nee betwee n in side and outside the thermal stress and organization stress can result from the finite element ANSYS software of 45 steel

9、 heat treatment of water quench process, to simulate the temp erature field an alysis of the various components of a work pi ece in the p rocess of water que nching heat treatme nt temp erature, i n order to op timize the heat treatme nt p rocess, the work piece after heat treatme nt to obta in bett

10、er mecha ni cal p erforma nee to pro vide certa in theoretical basis.Keywords: 45 steel, heat treatment, mechanical properties, the temperature fieldsimulati on2资料综述2.1 钢的分类2.2 45钢的热处理工艺2.2.1加热温度的选择2.2.2保温时间的选择2.3 小结3热处理实验3.1前期准备3.1.1实验概述3.1.2试件准备3.245钢的热处理3.2.1试验设备的介绍3.2.2实验概述3.2.3实验步骤3.2.4实验结果3.3布

11、氏硬度和洛氏硬度实验3.3.1布氏硬度实验3.3.2洛氏硬度实验3.4拉伸试验3.4.1实验设备3.4.2实验步骤3.4.3实验原理3.4.4实验结果3.5 453.5.13.5.23.5.33.6111313131414钢热处理前后金相组织的分析比较实验设备和实验前的准备金相图分析实验结果4 ANSYS有限元分析软件1414161617174.1 ANSYS软件概述 4.2 基于ANSYS的淬火温度场的数值模拟实例分析18194.2.1前处理阶段19422温度分布图234.2.3获取关键点温度随时间变化的曲线图264.3 小结29总结参考文献303132V25钢是经济建设中使用最广，用量最大

12、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

13、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 。ANSY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一一美国 ANSYS 司开发 5 。 ANSYS 软件

14、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ANSY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

15、取及淬7 。为优火工艺的优化，并为精确计算淬火过程的热应力、残余应力做好准备工作化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2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

16、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W0.25%）、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W 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钢表示45钢是中碳结构钢，其相关信息见表 2.1。表2.1 45钢相关信息钢号化学成分热处理力学性能应用举例45C% 0.42-0.50IW 0.5-0.8Si % 0.17-0.37Cr% w 0.25正火850 C 淬火：840 C水 回火：600

17、C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 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 0调质处理后零

18、件具有良好的综合力学性能，即硬度尚可， 塑性较高。2.2 45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850C，淬火840C，回火600C，达到的性能为屈服强度 355Mpa本文对45钢采取840C淬火，600C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 朋（亚共析钢） 或兀1（过共析钢）以上30-50 C ,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

19、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。221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

20、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30 50C。若在Aci Ac3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A33点过高，以防奥氏体晶粒粗化，840 C。淬火后获得粗大的马氏

21、体。根据铁碳合金相图可确定实验温度是222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，弓I起应力集中，易于产生脆性

22、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T =KD计算得保温时间为15min,由ANSYSt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。其热处理工艺曲线如下图2.223所示。遍度广C图2.2淬火工艺曲线温度匕C时间/min图2.3高温回火工艺曲线对图2.1中PSK（A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（A线）以上全部转变为奥氏体；亚、 过共析钢则必须加热到GS（A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

23、，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 WcvO.0218% 共析钢 Wc=0.77% 亚 共析钢 Wc=0.0218%- 0.77%;过 共析钢 Wc=0.77%r2.11%;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

24、，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 840r ;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15mi n，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840C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600r的炉中加热。其次是保温，等到加热炉温度再一次达到600r时开始计时，保温

25、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。3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 r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。3.2 45钢的热处理3.2.1试验设备的介绍箱式加热炉见图3.1 0054.接线盒；5.试样;1.加热室；2.加热丝孔；3.测

26、温孔；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0-剧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

27、。炉门下部有一挡铁7,炉门关闭3,供插入测量电偶用。整个炉体用钢板包裹,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 并由支架支撑着。其炉温大都是利用热电偶高温计和温度指示调节箱式电阻炉用于热处理加热时, 仪进行测量和控制的。3.2.2 实验概述淬火、回火四种方法。不同的热处理方法使碳碳钢的热处理一般有退火、正火、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

28、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 C,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

29、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。过共析钢的淬火温度为 AC1+ (30-50 C)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

30、然是Aci+ (30-50 r)o3.2.3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840r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600C，加热一个小时后，取出空冷至常温。324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布氏硬度实验实验设备：HBE-3000电子布氏硬度计图3.2，读数显微镜。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

31、套内，先暂时将压头固定螺钉旋压在压头杆扁平处。XE尿HBe-am 电于痛氏««苛 iVM -I询卜.图3.2 HBE-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

32、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Ra值一般不应大于0.8卩m 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 C范围内。(4)实验结果。规范操作后所得实验数据见表3.1 0表3.1布氏硬度所得数据热处理前热处理后压痕直径（mmHBS压痕直径（mm）HBS4.651663.742634.761583.762604.821543.70269（5）

33、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)(2)实验设备：HRS-150型数显洛氏硬度计图3.3，45钢试件。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4- 8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幣噩譌1&?讣需蛊芒图3.3HRS-150型数

34、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 0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6070 85适用于测量硬质合金，表体面淬火层

35、或渗碳层HRB直径为1.588mm10025100适用于测量有色金属，退钢球（相当 HB60-230 ）火、正火钢等HRC120。金刚石圆锥1502067适用于调质钢、淬火钢等体（相当 HB230-700 ）(4) 实验结果以及与40Cr水淬的比较。实验所得数据见表3.3 0表3.3热处理前后洛氏硬度的对比1234平均值热处理前7.510.68.910.39.325热处理后26.626.727.427.026.92545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1234平均值45钢热处理前7.510.68.910.39.32540Cr热处理前2

36、1.021.622.019.320.975表3.5热处理后的洛氏硬度对比1234平均值45钢热处理后26.626.727.427.026.92540Cr热处理后39.333.032.830.733.95（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。3.3.2 实验步骤（1）划线测量。（2）将样品安装

37、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

38、；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伸长最小延伸断面屈服断裂屈服断裂抗拉式量直径率收缩载荷载荷强度强度强度/mm/mm率/N/N/Mpa/Mpa/Mpa840 C水淬 600 C216.300.210.37055000620007001989789回火注：伸长率 A=(Lu-Lo)/Lo X 100% 截面收缩率 Z=(So-S)/So X 100%3.5 45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

39、实验准备包括转盘式金相预磨机，金相显微镜，金相图谱。 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900）。前一种磨粒只 占一小部分（约20%），如图2 1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

40、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

41、磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑、戈U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

42、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。从而显示出试样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，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

43、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3.8 45钢热处理前的金相组织图3.9 45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840C、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840r是最理想

44、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

45、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。4 ANSYS有限元分析软件ANSYS4.1 ANSYS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IS09001质量认证的大型分析设计类软件 。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

46、基本符号及国际单位见表 4.1 0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C力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m2生热速率W/m3导热系数W/m-CKXX对流系数W/m2 CHF密度Kg/m3DENS比热J/Kg- CC焓J/m3ENTHANSYS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

47、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 0ANSYS10.0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勺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840r冷却到20r，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

48、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。表4.2 45钢热物性参数T/Ccp/J.(kg.C )；/W.(m C)-110048043.5320049840.4430052438.1340056036.0250061534.1660070031.9870085428.66755106425.1480080626.4990063725.92100060224.02pkg.m-37800(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

49、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Utility Menu > File >Change Job name,在弹出的对话框中输入45GANG，然后点击OK。 选择 Utility Menu >File>Change Title，在弹出的对话框中输入 Temperature field sim

50、ulation，然后点击 OK。第二步：定义单元类型。选择 Main Menu>Preproceso> Element Type>Add/Edit/Delete,在弹出对话框中 选择Thermal Solid和Quad 4node55,点击OK后在单元增添对话框中，选择PLANE 55 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。 启动 ANSYS定义材料性能参数：选择 Main Menu > Preprocesoi> Material Props >Temperatu

51、re Units 在弹出的 Specify Temperature Units对话框中选择 Celsius。 定义坯料与温度相关的热导率： 选择Main Menu > Preprocesoi>Material Props > Material Models,然后选中材料 1，点击对话框右侧的 Thermal > Conductivity > Isotropic,在弹出的坯料热导率输入对话框中点击 Add Temperature 定义坯料与温度相关的比热容：点击Thermal>Specific Heat> Isotropic,弹出比热容输入对话框，输入材

52、料参数。 定义坯料密度：点击Thermal>Density,在弹出对话框中输入坯料密度。点击 0K。坯料热导率与比热容随温度变化曲线见图4.1,4.2。EXXPRZVrEr?ANSYSJUU JlOJ孑CIDTUii9UC图4.1坯料热导率随温度变化曲线PflfiVlEW7OTSYS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 0ruMTur?!ftNSYSLTTH 7 3 011图4.3网格划分结果第四步：加载求解。 设置分析类型：选择 Ma in Me nu> Solutio n> An alysis TypeNew An alysis,在 弹出的New A

53、nalysis对话框中选择分析类型为 Transient,单击OK按钮，在弹出的 Transient Analysis对话框中选中Full单选框，单击OK按钮。 设置初始温度：选择 Main Menu > Solution > Define Loads> Apply > Initial Conditi >nefine,在弹出的节点拾取对话框中， 单击Pick All按钮后立即弹出Define Initial Conditions对话框。选择自由度为 TEMP ,并设置初始温度为840E，单击OK 按钮。 施加外边界条件：选择 Ma in Me nu > So

54、lution > Define Loads > App ly > Thermal >Convection>On Lines，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Apply CONVC on Lines对话框，在其中Film coefficient 栏 中输入110，表明对流传热系数为110;在Bulk temperature一栏中输入20，表明最终 冷却温度为20 E，然后单击OK。 设置时 间和载荷步：选择 Ma in Menu > Solution > Load Ste p Opts > Time/Frequenc>Time-Time Setup，弹出 Time and Time Step Options 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 Ma in Me nu > Solutio n> Load Step Op ts> Out put