毕业论文-T10钢热处理淬火过程温度场分析

1、毕业设计T10钢热处理淬火过程温度场分析学生姓名： 学号：系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及自动化 指导教师： 二零一五年六月毕业设计任务书设计题目： T10钢热处理淬火过程温度场分析 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 学生： 指导教师（含职称）： 1课题意义及目标 学生应通过本次毕业设计，运用所学过的金属学及热处理等专业知识，了解T10钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉T10钢的热处理工艺方法；熟悉ANSYS软件；掌握ANSYS软件计算热处理过程温度场的方法，为优化热处理工艺提高零件质量提供一定的理论依据。2主要任务（1）制定T10钢热处理工艺。

2、（2）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的变化关系。（3）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。（4）分析热处理过程温度场分布对T10钢组织和力学性能的影响。（5）撰写毕业论文。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合太原工业学院学位论文格式的统一要求。3主要参考资料1 赖宏，刘天模. 45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟J.重庆大学学报，2003，26（03）:82-84.2 朱圆圆，祁文军，易挺，等. 钢件淬火过程温度场的数值模拟J. 新技术新工艺，2008，（11）：97-99.3 崔忠圻，覃耀春

3、.金属学与热处理M. 北京，机械工业出版社，2007：230-3084进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1阅读文献，了解研究目的意义制定热处理工艺 3月 3日32软件学习，完成加热过程温度场计算 3月243完成冷却过程温度场计算 4月14日54进行结果分析5月 5日6月 1日5完成撰写及答辩工作 6月 2日6审核人： 田静 2015 年 1 月 16 日 .2 ANSYS热分析 利用ANSYS软件的热分析模块对钢件淬火过程进行数学模型分析，并通过建模、划分网格、加载及求解,得到了钢件在淬火过程中不同时刻的温度场分布以及在某一时刻钢件不同关键点的温度变化趋势。热分析中基本符号及国际单位见表3.

4、1所示。 表3.1 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-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH 3.3 基于ANSYA的淬火温度场分析 某圆柱体零件材质为T10钢，零件尺寸为40mm20mm，如图3.1所示。将其加热到800， QUOTE 80min 在25 QUOTE 25 （室温）水中淬火, 用ANSYS 软件模拟：（1）T10钢淬火4s、16s、30s的温度场分布；（2）T10钢圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周任一点温度场变化随时间变化的

5、关系。淬火过程属于瞬态热分析问题。图为钢件的实体图，A、B、C点分别为圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周一点。 图3.1 试样的几何模型3.4 定义单元类型 每一个单元类型都具有惟一的编号和一个标识单元类别的前缀，如PLANE2、BEAM4等。单元类型决定了单元的自由度以及单元是在二维空间还是三维空间内16。根据要求，本课题属于瞬态热分析问题，选择单元类型为Quad 4node 55。3.5 前处理阶段 3.5.1 建立模型 因为建模过程将耗费工作人员大量的精力和时间,因此,按照建模通用原则,会提高模型建立的有效性及工作效率。通用的建模原则如下:(1)结构对称性的利用;(2)删除细节,将构

6、件或零件上的一些细节忽略而考虑整体特征;(3)减维,选取合适的单元类型23。 本课题所用钢件属于轴对称图形，根据对称性原理，计算模型只取1/2截面。利用模型扩展功能，可以得到材料的整体模型。如图3.2所示：图3.2 轴对称图3.5.2 网格划分 ANSYS中划分网格的方式主要有两种，分别为自由网格划分和映射网格划分16。自由划分的网格对单元的形状没有任何的限制，并且没有特定的准则。用这种方式划分的网格排列不规则，可以应用于所有具有不规则几何形状的模型或是需要网格过渡的区域。但是这种划分相对单的元数目较多，分析时间较长，精确度较低。映射网格划分对包含的单元形状有所限制，通常映射面网格只能包含四边

7、形或三角形单元，映射体网格也只能包含六面体单元。用映射网格划分方式得到的网格具有规则的几何形状，而且它对载荷的施加和收敛的控制相当有用。因而,在实际应用中一般优先选用映射网格划分方式，当不能用映射网格划分时再考虑选用自由网格划分作为补充。在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算的效率息息相关。网格划分得越细，计算精度就越高，所花费的计算时间就越长，反之，所花费的时间就越短。而且，网格的划分细到一定的程度，计算精度的变化会较小甚至不发生变化。本文采用映射网格划分方法，单元的大小设置为默认设置，划分网格后的有限元模型（如图3.3所示）：图3.3 网格划分图3.6 温度场分析 本课题

8、施加的是对流换热载荷，设置的热分析类型是瞬态热分析，淬火时间点分别设置为4s、16s、30s，Minmum time step size设置为1s。由设定的求解条件可以得到淬火过程 30s内零件各部分的温度场分布, 4s、16s、30s时零件的温度场分布分别如图3.4、图3.5和图3.6所示。 图3.4 水淬4s时的温度分布图（单位：） 图3.5 水淬16s时的温度分布图（单位：）图3.6 水淬30s时的温度分布图（单位：）冷却过程中，不同时刻温度场分布如图3.4所示。在水冷4s时，零件边缘最低温度为705 QUOTE ，靠近零件中间区域最高温度为782 QUOTE ；如图3.5所示在水冷16

9、s时，零件边缘最低温度为582 QUOTE ，靠近零件中间区域最高温度为667 QUOTE ；如图3.6所示在水冷30s时，零件边缘最低温度为473 QUOTE ，靠近零件中间区域最高温度为543 QUOTE ；3.7 水冷特殊位置随时间变化 执行Main Menu/TimeHist Postpro/Graph Variables，读取加载并求解后工件在某些特定位置的冷却曲线。下面图3.7、图3.8和图3.9分别为工件的A（圆柱体中心点）、B（上底面圆心点）、C（上底面圆周一点）三点随时间变化的曲线图： 图3.7 A点变化的曲线图图3.8 B点变化的曲线图图3.9 C点变化的曲线图 如图3.1

10、0所示可以看出，在水中随着时间的延长，零件温度也迅速降低，发现A、B、C三点随时间变化的差别幅度较小，并在淬火的后期300s之后冷却速率趋于平缓。 图3.10 水淬时A、B、C三点的冷却曲线3.8 模拟结果分析 选取4s 、16s、30s时，钢件的温度场分布如图3.4、图3.5和图3.6所示，在淬火4 s时表面温度下降，零件心部仍然保持一定的高温。仅用30s，钢件表面就从800高温降低到了475左右，心部降低到540左右。在任一时刻，零件心部的温度在整个钢件中都是最高的，并得到钢件的淬硬性增强，这完全符合实际情况。随着淬火时间的延长，钢件表面的温度持续下降，但是温度降低速率在下降，并且内部温度

11、相应降低，降低速率比表面稍高。图3.7、图3.8和图3.9是在水淬时钢件上A、B、C三点温度随时间的变化曲线。由图示知，三点的温度均随着淬火时间的延长从而降低，只是降温的速度不同，其中A点降温最快，B点次之，C点最慢。4 结论和展望 4.1 课题研究得出结论 1、本文主要是对碳素工具钢T10钢在淬火过程进行瞬态热分析数值模拟研究。通过计算分析，得到每一瞬时和每一点的温度场分析，从而能够明显的反映出淬火过程的变化情况。2、在考虑T10钢的热物性参数、淬火介质换热系数后，用ANSYS软件模拟淬火温度场是可以的。在用ANSYS软件模拟淬火过程温度场分析时，通过淬火钢件表面网格划分及函数加载等步骤是可

12、以提高模拟计算精度。3、在淬火冷却刚开始时，钢件表面的冷却速度远远大于心部，使钢件产生较大的瞬时应力，这是诱发应力突变的主要原因。并随着冷却时间的延长，钢件表面与心部的温差逐渐减小，温度分布趋于平缓，其数值模拟的结果符合生产实际。4、通过学习ANASY14.0懂得了： （1）四边形优先选用映射网格划分的方式。 （2）要根据所施加的载荷条件和所需要计算的响应来选择分析的类型。（3）通过计算、分析该软件模拟方法明显强于传统的人工测量和经验判断，该方法与有限元法相比较，具有计算简便等优点；与经验公式法相比，具有更加精确的模拟结果。 4.2 展望 本文运用ANSYS软件对T10钢淬火过程温度场分析进行

13、了初步的研究，虽然取得了一定的成果，但还有许多工作有待深入研究，主要包括以下几个方面：（1）T10钢的热物性参数需要进一步改进。随着热物性参数测定，热物性参数的数据会越来越充分，不需要使用粗略的数据。（2）网格需要尽量细致划分。随着计算机性能的发展和使用计算机淬火越来越频繁，这是就必须尽可能的细分。致 谢本文字开题至截稿，从资料的收集到确定研究方向再到完成模拟撰写论文、论文定稿一直在太原工业学院完成，期间太原工业学院机械工程系娄菊红老师给予了很大的指导与帮助，使得本文顺利完成，娄老师在课题研究方向上的指导与课题研究过程中遇到的问题所提出的的建议及解决方案为本文的成功撰写奠定了基础，感谢导师对我

14、学术上的指导和处事上的帮助。导师他治学严谨、待人真诚，在ANSYS软件学习阶段提供了不少的学习资料并给予指导学习方法，使自己能够在短短的两个月时间内掌握了ANSYS的热分析功能，此特别致谢。感谢本文所引用的所有文献的著者、编者，他们的研究成果给予了我很大的帮助。参考文献1 李茂山, 赵宝荣, 吴光英, 张克俭. 我国热处理的现状及发展方向J. 兵器材料科学与工程.1999，22 (02) :49-56.2 文九巴. 机械工程材料M. 机械工业出版社.2009 :122-123.3 崔忠圻. 金属学与热处理M. 机械工业出版社.2000 :290-291.4 夏立红，耿长栓. 防止45钢件淬火裂

15、纹的工艺研究J. 郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2003，（01）:25-27.5 朱圆圆，祁文军，易挺，等. 钢件淬火过程温度场的数值模拟J. 新技术新工艺，2008，（11）:97-99.6 王能为，孙艳. T8钢的形变球化退火工艺J. 南方金属. 2009，（01）:23-28.7 赵琳. 45钢热处理工艺及其组织性能J. 机械工程与自化.2012,(05):203-204.8 夏浩杰，高为国，覃波. T12钢丝锥的淬火裂纹分析及热处理工艺优化J. 湖南工程学院学报，2014，（03）:25-28.9 刘祥，王立华。基于ANSYS的铸钢车轮铸造过程的温度场分析J.中国制造业信息化，2

16、012，05（09）46-4710 赵永忠, 朱启建, 李谋渭. 中厚板控冷过程有限元模拟及在生产中的应用J. 冶金设备, 2002, 12 (6):14-17.11 孔祥伟, 李壬龙, 王秉新, 王国栋, 刘相华. 轧辊温度场及轴向热凸度有限元计算J. 钢铁研究学报,2000, 12 (9):51-54.12 胡勤忠，郭秀兰，陈树勤，许宜乎。T10钢的强韧化处理J. 五金科技，1990 （03）：35-39.13 方昆凡.工程材料手册黑色金属材料卷M.北京:北京出版社,2002.18414 马庆芳。实用热物理性质手册M. 北京:中国农业机械出版社，2011.66215 赵程, 杨建民. 机械工程材料M. 北京: 机械工业出版社, 2003. 1: 7778.16 高东海. 基于ANSYS淬冷过程的研究D. 硕士学位论文.贵州大学,10-11.17 赖宏, 刘天模. 45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟J. 重庆大学学报, 2003, 26(3): 82.18 马仙. 淬火过程数值模拟研究进展J. 兵器材料科学与工程, 1999, 3: 59