45鋼熱處理空冷過程分析（太原）
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畢業(yè)設(shè)計
45鋼熱處理空冷過程分析
102018125
謝淼杰
機械工程系
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
系 部：
婁菊紅
材料成型及控制工程
專 業(yè)：
指導(dǎo)教師：
二〇一四 年 六 月
誠信聲明
本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。
本人簽名： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
設(shè)計題目： 45鋼熱處理空冷過程分析
系部： 機械工程系 專業(yè)： 材料成型與控制工程 學(xué)號：102018125
學(xué)生： 謝淼杰 指導(dǎo)教師（含職稱）：婁菊紅（副教授）專業(yè)負責(zé)人： 趙躍文
1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)
建立有限元模型，模擬45鋼熱處理空冷過程溫度場分布；通過實驗研究，分析熱處理前后45鋼組織和力學(xué)性能的變化，為優(yōu)化熱處理工藝提高零件質(zhì)量提供一定的理論依據(jù)。
2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容
1）設(shè)計的基本要求：
論文結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標(biāo)點符號；論文格式符合太原工業(yè)學(xué)院學(xué)位論文格式的統(tǒng)一要求。
2）設(shè)計內(nèi)容：
模擬45鋼熱處理空冷過程中溫度場隨時間的變化關(guān)系；研究45鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化；與45鋼水淬后的組織和力學(xué)性能進行比較，分析原因。
3．主要參考文獻
1）ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用[J].冶金能源，2004（05）
2）鋼件淬火過程溫度場的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝技術(shù)與材料研究，2008（11）
3）ANSYS10.0熱分析教程與實例解析
4）45鋼零件淬火過程溫度場分布的數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2003（03）
5) 材料科學(xué)基礎(chǔ)（鐵碳合金相圖與熱處理部分）
4．進度安排
設(shè)計各階段名稱
起 止 日 期
1
查閱文獻，了解軟件，完成開題報告
2014.01.10至2014.03.10
2
閱讀文獻，深入學(xué)習(xí)軟件，確定實驗方案
2014.03.10至2014.03.31
3
進行模擬計算和試驗，準(zhǔn)備中期檢查
2014.04.01至2014.04.20
4
完成模擬計算和試驗及結(jié)果分析
2014.04.20至2014.05.15
5
撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯
2014.05.15至2014.06.05
45鋼熱處理空冷過程分析
摘要：45鋼是一種十分常見及用量非常高的金屬材料，硬度較低，強度較高，塑性和韌性好，切削加工性能較好，綜合機械性能比較好。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂筛淖冧摰膬?nèi)部組織結(jié)構(gòu)，具有一定塑性、韌性和耐磨性。45鋼常用來做用于制作承受負荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火零件，以及對心部強度要求不高的表面淬火零件，如曲軸、傳動軸、齒輪、蝸桿、鍵、銷等。
通過ANSYS有限元分析軟件來模擬45鋼熱處理空冷過程中溫度場隨時間的變化關(guān)系，ANSYS結(jié)合了材料變溫過程材料熱物性參數(shù)的變化，特別適合鋼件正火過程溫度場的準(zhǔn)確計算。模擬得到試件溫度隨正火時間的分布關(guān)系圖。對45鋼圓柱試樣、沖擊試樣、拉伸試樣進行熱處理完成金相組織觀察、拉伸試驗、硬度測試試驗，記錄數(shù)據(jù)并比較結(jié)果；比較45鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化和與45鋼水淬后的組織和力學(xué)性能的比較，通過實驗結(jié)果表明：正火由于冷卻速度稍快，與退火組織相比，組織中珠光體量相對比較多，而且片層較細密，細化了晶粒，使碳化物分布均勻化，所以組織和性能有所改善，同時消除了材料殘余應(yīng)力。對低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度。
關(guān)鍵詞： 45鋼，正火，ANSYS模擬，溫度場
45 steel heat treatment process of air cooling analysis
Abstract：45 steel is a very common and very high amount of metal materials, low hardness, high strength, good ductility and toughness, better cutting performance, better mechanical properties. After an appropriate heat treatment by changing the internal organizational structure of steel, has a certain plasticity, toughness and wear resistance. 45 for the production of steel commonly used to bear a greater load quenched small section of the large pieces of normalizing and stress smaller parts, as well as the strength of the core part of the surface hardening less demanding parts such as crankshafts, drive shafts, gears, worm , keys, pins, etc.
By ANSYS finite element analysis software to simulate the process of air-cooled heat treated steel 45 with variation of temperature field time, ANSYS combination of process variable temperature change material thermal parameters of materials, especially for steel normalizing process to accurately calculate the temperature field. Simulated specimen temperature distribution over time normalizing relationship diagram. 45 steel cylindrical specimens, impact specimens, tensile specimens subjected to heat treatment to complete the microstructure observation,tensile test, hardness test trials, the recorded data and compare the results; 45 before and after heat treatment of steel microstructure and mechanical properties of changes in microstructure and mechanical properties and compare 45 steel after quenching and, through experimental results showed that: normalizing the cooling slightly faster, compared with annealed structure, the amount of pearlite is relatively more, and slice than the fine, fine of the grain, so that uniform distribution of carbides, so the organization and improved performance, while eliminating the residual stress. Low carbon steel, the hardness can be improved after normalizing improve machinability, improved part surface finish.
Keywords: 45 steel,normalizing,ANSYS simulation, temperature field
目 錄
1 前 言 1
1.1研究的目的與意義 1
1.2 研究現(xiàn)狀 1
1.3 研究的主要內(nèi)容及方法 2
1.4 45鋼的性質(zhì) 2
2 45鋼熱處理和力學(xué)性能試驗 4
2.1熱處理的原理及應(yīng)用領(lǐng)域 4
2.2正火熱處理的目的 4
2.3正火熱處理工藝設(shè)備 4
2.4 熱處理工藝方案 5
2.4.1 45鋼正火加熱溫度選擇 5
2.4.2保溫時間的確定 5
2.4.3冷卻方式 6
2.5 試驗原理 6
2.5.1 布氏硬度原理 6
2.5.2洛氏硬度試驗原理 6
2.5.3拉伸試驗原理 7
2.5.4金相試驗原理 7
2.6試驗過程 8
2.6.1材料處理前的力學(xué)性能測試 8
2.6.2 材料的熱處理 8
2.6.3 材料處理后的力學(xué)性能測試 8
2.6.4 金相顯微組織觀察 8
2.7結(jié)果與分析 9
2.7.1 硬度 9
2.7.2 拉伸試驗 10
2.7.3 金相組織試驗 13
3 ANSYS軟件有限元分析 15
3.1有限元分析簡介 15
3.2 ANSYS簡介 15
3.2.1 ANSYS軟件組成 15
3.2.2 ANSYS熱分析簡介 16
3.3模擬方案的確定 16
3.4材料及參數(shù)的選擇 17
3.5求解步驟 17
3.5.1建立工作文件夾名和工作標(biāo)題 17
3.5.2 定義單元類型 18
3.5.3定義材料性能參數(shù) 18
3.5.4創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格 20
3.5.5加載求解 21
3.5.6 查看溫度分布圖 22
3.5.7 獲取關(guān)鍵點溫度隨時間變化的曲線圖 24
3.6 數(shù)值模擬結(jié)果與討論 28
3.6.1 45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖分析 28
3.6.2 溫度隨時間變化的曲線圖分析 29
結(jié) 論 30
參考文獻 31
致 謝 32
II
太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計
1 前 言
1.1研究的目的與意義
45鋼是常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。該鋼冷塑性一般，退火、正火比調(diào)質(zhì)時要稍好，具有較高的強度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。為了使45鋼具有所需的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除了合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，以一定的速度冷卻到室溫，能改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善其性能。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著鋼的力學(xué)性能，延長機器零件的使用壽命[1]。
熱分析是廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的一種分析工具, 作為有限元分析軟件在熱分析方面具有強大的功能。熱分析是在程序控制溫度下測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。定義中的程序控制溫度是指按某種規(guī)律加熱或冷卻, 通常是線性升溫和線性降溫。在實際生產(chǎn)過程中,常常會遇到各種各樣的熱量傳遞問題: 如計算某個系統(tǒng)或部件的溫度分布、熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度、熱應(yīng)力、相變等等[2]。利用軟件的熱分析模塊對45鋼件正火過程進行建模、分網(wǎng)、加載及求解,得到了鋼件正火不同時刻的溫度場、在某一時刻沿鋼件內(nèi)壁溫度分布,以及鋼件上所選特點的溫度分布[3]。有限元軟件在溫度場的模擬過程中, 很好地結(jié)合了材料變溫過程材料熱物性參數(shù)的變化,特別適用于鋼件正火過程溫度場的準(zhǔn)確計算。通過利用有限元分析軟件對45鋼零件正火過程溫度場進行有限元模擬,得到了零件溫度隨正火時間的分布關(guān)系。模擬結(jié)果與實際過程一致, 且運算速度較快, 適用于正火工藝的優(yōu)化, 并為精確計算正火過程中的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力做好了準(zhǔn)備工作[4]。
1.2 研究現(xiàn)狀
熱處理是機械工業(yè)的一項重要基礎(chǔ)技術(shù)通常像軸、軸承、齒輪、連桿等重要的機械零件和工模具都是要經(jīng)過熱處理而且只要選材合適熱處理得當(dāng)就能使機械零件和工模具的使用壽命成倍。熱處理對于充分發(fā)揮金屬材料的性能潛力、提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量、節(jié)約材料、減少能耗、延長產(chǎn)品的使用壽命和提高經(jīng)濟效益都具有十分重要的意義。
目前我國在熱處理的基礎(chǔ)理論研究和某些熱處理新工藝、新技術(shù)研究方面與工業(yè)發(fā)達國家的差距不大但在熱處理生產(chǎn)工藝水平和熱處理設(shè)備方面卻存在著較大的差距還沒有完全扭轉(zhuǎn)熱處理生產(chǎn)工藝和熱處理設(shè)備落后、工件氧化脫碳嚴(yán)重、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、能耗大、成本高、污染嚴(yán)重的局面[5]。
1.3 研究的主要內(nèi)容及方法
模擬45鋼熱處理空冷過程中溫度場隨時間的變化關(guān)系；研究45鋼熱處理前后組織及性能的變化；與45鋼水淬后的組織和力學(xué)性能進行比較，分析原因。
擬采用的研究手段：對于模擬45鋼熱處理空冷過程中溫度場隨時間的變化關(guān)系可以通過ANSYS有限元分析軟件來分析解決；利用軟件的熱分析模塊對45鋼件正火過程進行建模、分網(wǎng)、加載及求解,得到了鋼件正火不同時刻的溫度場、在某一時刻沿鋼件內(nèi)壁溫度分布,以及鋼件上所選特點的溫度分布。對45鋼試樣進行熱處理完成金相組織觀察，完成拉伸實驗、硬度測試實驗，記錄數(shù)據(jù)得出結(jié)論并比較結(jié)果；通過試驗研究處理分析的手段來研究45鋼熱處理前后組織及力學(xué)性能的變化；與45鋼水淬后的組織和力學(xué)性能的比較，并通過數(shù)據(jù)和分析得出結(jié)論。
1.4 45鋼的性質(zhì)
45鋼是機械制造中廣泛應(yīng)用的中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。因淬透性差，一般以正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用，機械性能要求較高時，采用調(diào)質(zhì)處理。冷變形塑性中等，退火和正火的切削加工性比調(diào)質(zhì)的好。45鋼具有良好的機械學(xué)加工性能，而焊接性能一般，經(jīng)調(diào)質(zhì)成索氏體時，具有高的強度和塑性，且有一定的韌性。但熱處理時，淬透性差，水淬變形大，裂紋傾向敏感，尤以40℃左右水淬時更為明顯。
45鋼制造強度要求較高的零件，如齒輪、軸、曲軸、活塞銷、工夾具等零件時，要求零件表面高硬度、高耐磨性，而心部具有高強度和高韌性，調(diào)質(zhì)后進行高頻或火焰表面淬火。經(jīng)低溫球化淬火后，可冷擠壓成型零件，如球頭銷，推力桿等[6]。
表1.1為45鋼的化學(xué)成分，表1.2為45鋼的力學(xué)性能，表1.3為45鋼的其他性能。
表1.1 45鋼的化學(xué)成分
元素
C（%）
Si（%）
Mn（%）
P（%）
S（%）
Ni（%）
Cr（%）
Cu（%）
GB699-88
0.42~0.50
0.17~0.37
0.50~0.80
0.035
0.035
0.25
0.25
0.25
表1.2 45鋼的力學(xué)性能
力學(xué)性能
數(shù)值
抗拉強度σb(MPa)
≥600
屈服強度σs(MPa)
≥355
伸長率 δ(％)
≥16
斷面收縮率ψ (％)
≥40
沖擊功 Akv (J)
≥39
沖擊韌性值αkv (J/cm2)
≥49
硬度
未熱處理
≤229HB;
退火鋼
≤197HB
注① 試樣尺寸：試樣尺寸為25mm
.表1.3 45鋼的其他性能
密度（kg/m）
熔點/℃
臨界溫度/℃
7800
1433
724
780
682
751
2 45鋼熱處理和力學(xué)性能試驗
2.1熱處理的原理及應(yīng)用領(lǐng)域
熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種加工工藝。利用鋼在加熱和冷卻時內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律，根據(jù)這些基本規(guī)律和要求來確定加熱溫度、保溫時間和冷卻介質(zhì)等有關(guān)參數(shù)，以達到改善材料性能的目的[1]。
熱處理不僅可以改善材料的使用性能和工藝性能，而且還是提高加工質(zhì)量、延長工件和刀具使用壽命、降低成本、節(jié)約材料的重要手段。所以機械、交通、能源和航空航天等部門的大多數(shù)零部件和一些工程構(gòu)件都需要通過熱處理來提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。
2.2正火熱處理的目的
正火可以作為預(yù)備熱處理，為機械加工提供適宜的硬度，又能細化晶粒，消除應(yīng)力，消除魏氏組織和帶狀組織，為最終熱處理提供合適的組織狀態(tài)。正火還可以作為最終熱處理，為某些受力較小，性能要求不高的碳素鋼結(jié)構(gòu)零件提供合適的力學(xué)性能。正火還能消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作好組織準(zhǔn)備。對于大型工件及形狀復(fù)雜或截面變化劇烈的工件，用正火代替淬火和回火可以防止變形和開裂。
正火時用較快的冷卻速度，與退火組織相比，組織中的珠光體量相對較多，且片層較細密，可以細化晶粒，消除偏析，降低內(nèi)應(yīng)力。而且提高了硬度，消除內(nèi)部組織缺陷，改善切削性能。對于含碳量在0.25％～0.5％的中碳鋼，正火能細化晶粒，使組織均勻，同時硬度也不高，切削性能良好，與退火相比成本也較低，另外正火還有細化奧氏體晶粒，消除魏氏組織的作用。亦可消除網(wǎng)狀滲碳體組織。
2.3正火熱處理工藝設(shè)備
箱式電阻爐、夾鉗、金相砂紙、拋光布、金相試樣拋光機、金剛石拋光膏和金相顯微鏡、洛氏硬度試驗機、布氏硬度試驗機、拉伸試驗機、讀數(shù)顯微鏡。
2.4 熱處理工藝方案
2.4.1 45鋼正火加熱溫度選擇
正火時的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，45鋼的含碳量為0.42~0.50%，屬于亞共析鋼。如圖2.1所示，根據(jù)Fe-Fe3C鐵碳合金相圖，確定45鋼加熱溫度范圍為727~912℃之間以上40~60℃，本次實驗采用的加熱溫度為840℃。
圖2.1 Fe-Fe3C鐵碳合金相圖
2.4.2保溫時間的確定
正火加熱時間實際上是將45鋼試樣加熱到正火溫度所需的時間及在正火溫度停留所需時間的總和。加熱時間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所用的加熱介質(zhì)、加熱方法等因素有關(guān)，一般按經(jīng)驗公式加以估算。經(jīng)驗公式：加熱溫度為800oC的圓柱形工件，保溫時間為1.0分鐘/每毫米。本次圓柱體試驗高度為17mm，本次實驗是將45鋼加熱到840oC后保溫15分鐘。
2.4.3冷卻方式
本次實驗的冷卻方式為出爐置于空氣中自然冷卻。
表2.1熱處理工藝方案
熱處理項目
加熱溫度（℃）
加熱時間（h）
冷卻方式
正火
840
0.25
出爐冷卻
2.5 試驗原理
2.5.1 布氏硬度原理
布氏硬度是900年由瑞典人提出來的。該試驗的原理是用一定直徑D(mm)的鋼球或硬質(zhì)合金球為壓頭，施以一定的試驗力F(N),將其壓入試樣表面，經(jīng)過規(guī)定時間t(s)后卸除試驗力，試樣表面將殘留壓痕。測量壓痕平均直徑d(mm),求得壓痕球形面積A(mm)。布氏硬度值（HB）就是試驗力F除以壓痕球形表面積A所得的商[7]。
在實際應(yīng)用時，布氏硬度一般不需要計算,而是通過專用刻度放大鏡測出壓痕的直徑, 再查布氏硬度值表得出硬度值。硬度值的表示方法：一般布氏硬度值不標(biāo)單位, 在符號HBS(HBW)之前的數(shù)字即為硬度數(shù)值,符號后面按順序分別為測驗條件、球體直徑、 試驗載荷力、載荷力保壓時間[8]。
2.5.2洛氏硬度試驗原理
洛氏硬度以一定形狀的壓頭壓入金屬表面，測量壓痕深度，以無量綱的深度表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗所用的壓頭有兩種：一種是圓錐角α=120°的金剛石圓錐體，另一種是一定直徑的小淬火鋼球。為保證壓頭與試樣表面接觸良好，試驗時先加初始試驗F0在試驗表面得一壓痕，深度為，此時，測量壓痕深度的指針在表盤上指零，然后加上主試驗力 ,壓頭壓入深度為,表盤上指針以逆時針方向轉(zhuǎn)動到相應(yīng)刻度位置。試樣在作用下產(chǎn)生的總變形h中包括彈性變形與塑性變形，當(dāng)將卸除后，總變形中的彈性變形恢復(fù)，壓頭回升一段距離（h-)。這時試樣表面殘留的塑性變形深度h即為壓痕深度，而指針順時針方向轉(zhuǎn)動方向停止時所指的數(shù)值就是洛氏硬度值[7]。
2.5.3拉伸試驗原理
拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下確定材料特性的試驗方法。通過拉伸試驗所得到的數(shù)據(jù)可以確定材料的伸長率、彈性極限、比例極限、彈性模量、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度等其它拉伸性能指標(biāo)。拉伸一般分為以下幾個基本過程：
(1)第一階段為彈性階段，試樣變形為彈性變形，一旦取消外力，試樣完全恢復(fù)原狀，不會產(chǎn)生殘余伸長。
(2)第二階段為屈服階段，即試樣屈服于外力產(chǎn)生較大塑性變形階段。
(3)第三階段為強化階段（均勻塑性變形階段）。試樣屈服變形階段結(jié)束后，要使之繼續(xù)變形，就要繼續(xù)施加外力，克服試樣內(nèi)部不斷增加的抗變形力。
(4)第四階段為局部塑性變形階段。在前一階段，試樣的變形量越來越大，其強化能力也逐漸減小，由于其強化能力跟不上變形，終于在某個最薄弱處產(chǎn)生局部塑性變形，這時，該處橫截面積顯著收縮，載荷讀數(shù)迅速下降，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象。
2.5.4金相試驗原理
金相分析是研究工程材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的主要方法金相顯微分析法：利用金相顯微鏡在專門制備的試樣上觀察材料的組織和缺陷的方法。金相試樣的制備過程為：
(1)磨制：將砂紙平鋪在桌上，一手按住砂紙，另一手握住試樣，使試樣磨面朝下 在調(diào)換下一號更細的砂紙時，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈，并使試樣的磨制方向調(diào)轉(zhuǎn)90°。磨制后用清水洗凈。
(2)拋光：將試樣磨面均勻地、平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，壓力不宜過大，并沿盤的邊緣到中心不斷作徑向往復(fù)移動。拋光時間不宜過長，磨面上磨痕消除而呈光亮的鏡面后，停止拋光。拋光后用清水洗凈。
(3)腐蝕：將拋光好的試樣磨面用4%硝酸酒精進行一定時間腐蝕，腐蝕后用酒精清洗腐蝕面，再用吹風(fēng)機吹干腐蝕面及試樣整體。
(4)觀察：用金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織分析各種相組分和組織組成物的特征 ，并拍照記錄。
2.6試驗過程
2.6.1材料處理前的力學(xué)性能測試
(1)磨光，拋光試樣表面，經(jīng)腐蝕后觀察金相組織拍照保存。
(2)將試樣用布氏硬度試驗機和洛氏硬度試驗機測試熱處理前的硬度。
2.6.2 材料的熱處理
(1)將試樣放入箱式電阻爐中加熱到840℃，保溫15分鐘。
(2)將試樣取出置于空氣中冷卻。
2.6.3 材料處理后的力學(xué)性能測試
(1)試樣在布氏硬度試驗機和洛氏硬度試驗機上不同的三個部位打硬度，記下硬度值并求出平均值。
(2)將拉伸試樣用于拉伸試驗，并記錄數(shù)據(jù)。
(3)將試樣打磨、拋光、腐蝕，制作金相試樣，觀察金相組織并拍照記錄。
2.6.4 金相顯微組織觀察
(1)打磨：將砂紙平鋪在桌上，一手按住砂紙，另一手握住試樣，使試樣磨面朝下并與砂紙接觸，在輕微壓力作用下向前推行磨制。磨制以“單程單向”方式重復(fù)進行。在調(diào)換下一號更細的砂紙時，應(yīng)將試樣上的磨屑和砂粒清除干凈，并使試樣的磨制方向調(diào)轉(zhuǎn)90°。磨制后用清水洗凈。
(2)拋光：將試樣磨面均勻地、平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，壓力不宜過大。
(3)腐蝕:將拋光好的試樣磨面用4%硝酸酒精進行一定時間腐蝕，面呈暗灰色，停止腐蝕，然后用酒精洗凈。
(4)烘干：用吹風(fēng)機吹干腐蝕面及試樣整體。
(5)顯微攝影：用金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織分析各種相組分和組織組成物的特征，然后進行拍照。
2.7結(jié)果與分析
2.7.1 硬度
（1）試驗數(shù)據(jù)
表2.2 布氏硬度值
狀態(tài)
項目
試驗規(guī)范
硬度值
壓頭
載荷（kgf）
硬度類型
第一次
第二次
第三次
平均值
45鋼未處理
直徑為10mm鋼球
3000
HB
163
167
171
167
45鋼正火
195
197
224
205
45鋼水淬
260
263
269
264
表2.3 洛氏硬度值
狀態(tài)
項目
試驗規(guī)范
硬度值
壓頭
載荷（kgf）
硬度類型
第一次
第二次
第三次
平均值
45鋼未處理
直徑為1588mm鋼球
100
HRB
35.7
36.4
36.5
36.2
45鋼正火
直徑為1588mm鋼球
100
HRB
32.1
34.7
35.1
34.0
45鋼水淬
120°金剛石圓錐體
150
HRC
26.7
27.4
27.0
26.9
（2）數(shù)據(jù)分析
①45鋼正火和水淬后的硬度值比較
從表2.2看出，45鋼正火的平均布氏硬度為205HB，45鋼水淬后平均布氏硬度為264HB，相差59HB。通過數(shù)據(jù)可得出：45鋼在相同溫度相同保溫時間下正火與水淬相比水淬熱處理后材料的硬度相對更高，水淬對硬度的提升更好。
②45鋼熱處理前后硬度值變化
從表2.3中，看出同種試樣材料在未處理和在經(jīng)歷了840℃正火后，其洛氏硬度測試值是基本相同的。但此次實驗中各個材料的具體測試值還是有一定差距的，在未處理前試樣的硬度值最小差距為0.1HB，最大差距為0.8HB，熱處理完成后，其硬度值差距變大，其差距最小為0.4HB，最大為3HB。分析其原因為測量誤差和試驗較少，出現(xiàn)個體差異。
2.7.2 拉伸試驗
（1）試驗數(shù)據(jù)
表2.4 45鋼未處理拉伸試驗數(shù)據(jù)
材料
屈服載荷（N）
最大載荷（N）
拉斷后的尺寸
拉斷后的尺寸
45鋼未處理
37000
54400
D0（mm）
L0（mm）
D1（mm）
L1（mm）
10.00
50.00
7.40
74.00
強度指標(biāo)
塑性指標(biāo)
屈服強度σs(MPa)
抗拉強度σb(MPa)
延伸率δ(%)
斷面收縮率Ψ(%)
470
693
48
45
表2.5 45鋼 840℃正火拉伸試驗數(shù)據(jù)
材料
屈服載荷（N）
最大載荷（N）
拉斷后的尺寸
拉斷后的尺寸
45鋼 840℃正火
36200
54600
D0（mm）
L0（mm）
D1（mm）
L1（mm）
10.00
50.00
7.20
73.00
強度指標(biāo)
塑性指標(biāo)
屈服強度σs(MPa)
抗拉強度σb(MPa)
延伸率δ(%)
斷面收縮率Ψ(%)
460
659
46
48
表2.6 45鋼 840℃水淬拉伸試驗數(shù)據(jù)
材料
屈服載荷（N）
最大載荷（N）
拉斷后的尺寸
拉斷后的尺寸
45鋼 840℃水淬
55000
62000
D0（mm）
L0（mm）
D1（mm）
L1（mm）
10.00
50.00
6.30
71.00
強度指標(biāo)
塑性指標(biāo)
屈服強度σs(MPa)
抗拉強度σb(MPa)
延伸率δ(%)
斷面收縮率Ψ(%)
700
790
42
59
（2）數(shù)據(jù)分析
①45鋼熱處理前后力學(xué)性能變化
通過表2.4和2.5可知，45鋼未處理前屈服強度為470Mpa,抗拉強度為693Mpa，延伸率為48%,斷面收縮率為45%。45鋼正火處理后屈服強度是460Mpa,抗拉強度是695Mpa，延伸率是46%,斷面收縮率是48%。通過比較發(fā)現(xiàn)，45鋼正火后屈服強度、抗拉強度、斷面收縮率、延伸率都變化不大。所以說正火處理后對材料的強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)并未增強，影響很小。
②45鋼正火和水淬后力學(xué)性能變化
通過表2.4和2.5可知，45鋼正火后屈服強度為460MPa,抗拉強度為695MPa,延伸率δ為46%，斷面收縮率為48%。45鋼水淬后屈服強度為700MPa,抗拉強度為790MPa,延伸率δ為42%，斷面收縮率為59%。比較所知，45鋼相同溫度相同保溫時間下的正火與水淬熱處理會使材料的強度指標(biāo)和塑性指標(biāo)都得到提高，尤其是強度指標(biāo)（屈服強度和抗拉強度）變化較大。45鋼水淬后相比正火屈服強度和抗拉強度改善更大，而塑性指標(biāo)變化不大。
2.7.3 金相組織試驗
（1）金相組織照片
圖2.2 未處理金相組織 圖2.3 840℃正火金相組織
圖2.4 840℃水淬金相組織
（2）結(jié)果分析
①45鋼熱處理前后金相組織比較
45鋼碳含量為0.45%，屬于亞共析鋼。試樣在840℃時保溫15分鐘后經(jīng)空氣冷卻后，如圖2.1所示，先從奧氏體晶界析出先共析鐵素體，然后奧氏體與鐵素體的成分分別沿GS和GP線變化。到達PS線時，剩余奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體，PS線以下，從鐵素體中析出Fe3C，最后的組織為鐵素體加珠光體。
如圖2.3所示，金相組織圖片中黑色粒狀為珠光體，白色為鐵素體基體。對比未處理的試樣與處理后的試樣金相組織圖片，原始試樣中晶粒粗大且組織分布不均勻，熱處理后可以看出珠光體晶粒變小，組織分布均勻化。達到了正火細化晶粒，均勻組織的目的。
②45鋼正火和水淬后金相組織比較
45鋼為亞共析鋼，在840℃水淬后室溫組織為馬氏體，從圖2.4看出相比正火組織馬氏體組織比較細，這是因為將45鋼加熱到840℃，奧氏體晶粒較細，并且融入了足夠的碳，因此淬火后可以得到較細的馬氏體組織。比較圖2.3和圖2.4，看出正火后的組織比較粗大而水淬后的組織相對較細一些。結(jié)合洛氏硬度試驗水淬硬度更高，組織最細，綜合性能也較好，
3 ANSYS軟件有限元分析
3.1有限元分析簡介
有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
3.2 ANSYS簡介
ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物醫(yī)學(xué)和教學(xué)研究等眾多領(lǐng)域。系列是一套可自由選配集成的功能模塊組成的產(chǎn)品，用戶可根據(jù)需要集成某些、模塊以滿足各自行業(yè)的工程需求。如/是一款多物理場耦合的分析程序包，可以進行結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等獨立分析。/提供完整的結(jié)構(gòu)、熱、壓電及聲學(xué)分析功能［9］。
3.2.1 ANSYS軟件組成
軟件主要有三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊有一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出［10］。
3.2.2 ANSYS熱分析簡介
1970年, John Swanson 博士創(chuàng)建ANSYS公司, 致力于設(shè)計分析軟件的開發(fā), ANS YS程序的第一個版本僅提供了熱分析及線結(jié)構(gòu)分析功能, 像當(dāng)時的大多數(shù)程序一樣, 它只是一個批處理程序,且只能在大型計算機上運行。70 年代初, ANSYS程序發(fā)生了很大變化, 非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型被加入了程序。70年代末, 交互方式的加入是該程序最為顯著的變化，它大大地簡化了模型生成和結(jié)果評價 (前處理和后處理)。在進行分析之前, 可用交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料及邊界條件; 在分析完成之后計算結(jié)果的圖形顯示立即可用于分析檢驗。今天該程序的功能更加強大, 使用更加便利。ANSYS作為新穎的有限元分析軟件在處理熱分析問題方面具有強大的功能, 熱分析問題一直是ANSYS重要的應(yīng)用領(lǐng)域.而且其界面友好, 易于掌握, 可以隨心所欲地選擇圖形用戶界面方式 ( G U I ) 或命令流方式進行計算, 同時具有強大的網(wǎng)格劃分功能及強大的結(jié)果后處理功能[11]。
3.3模擬方案的確定
本試驗采用ANSYS10.0有限元分析軟件，45鋼熱處理空冷過程屬于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。試驗圓柱底面直徑D=20mm，高h=14mm。由于該45鋼熱處理試樣為圓柱體，為軸對稱模型，可以取圓柱的旋轉(zhuǎn)面建立一個二維模型，使模擬過程得到簡化。圖3.1為45鋼圓柱體縱截面，圖3.2為模型截面。室溫為20℃，將加熱到840℃的45鋼置于在室溫下下空冷。在ANSYS模擬過程中所有單位均為國際單位。
模擬方案如下：
第一步：建立工作文件名和工作標(biāo)題
第二步：定義單元類型
第三步：定義材料性能參數(shù)
第四步：創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)絡(luò)
第五步：加載求解
第六步：查看求解結(jié)果
圖3.1圓柱體縱截面 （單位：mm) 圖3.2 模型截面 （單位：mm)
3.4材料及參數(shù)的選擇
表3.1顯示的鋼的比熱容導(dǎo)率與溫度關(guān)系。由于45鋼的密度隨溫度的變化不大所以密度值取7800 （ρ/kg*m2）。
表3.1 45鋼的比熱容熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系
T/℃
100
200
300
400
500
600
700
800
900
480
498
524
560
615
700
854
806
637
43.53
40.44
38.13
36.02
34.16
31.98
28.66
26.49
25.92
3.5求解步驟
3.5.1建立工作文件夾名和工作標(biāo)題
（1）選擇Utility Menu | File | Change Jobname 命令，出現(xiàn)Change Jobname對話框在[/FINAM]Enter new jobname文本框出入文件夾名45steel。
（2）選擇Utility Menu | File | Change Title命令，出現(xiàn)Change Title對話框，在文本框中輸入45steel。
3.5.2 定義單元類型
選擇Main Menu | Preprocesor | Element Type | Add/Edit/Delete命令,在彈出對話框中選擇Thermal Solid和Quad 4node 55,如圖3.3所示，點擊OK后在單元增添對話框中，選擇PLANE55單元，然后點擊Options。在對話框中的K3中選擇Axisymmetric。
圖3.3 Library of Element Types對話框
3.5.3定義材料性能參數(shù)
（1）選擇Main Menu | Preprocesor | Material Props | Temperature Units，在Specify Temperature Units對話框中選擇Celsius，表明以攝氏零度作為溫度起點。
（2）選擇Main Menu | Preprocesor | Material Props | Material models命令,出現(xiàn) Define Material Behavior對話框。在Material Models Available 列表框中依次選擇Thermal | Conductivity | Isotropic選項，出現(xiàn)Conductivity for Material Number 1對話框，單擊Add Temperature在文本框中依次輸入900℃至100℃時45鋼的材料導(dǎo)熱系數(shù)。點擊Graph,材料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線如圖3.4所示。
圖3.4 材料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線
圖3.4 材料比熱率隨溫度變化曲線
圖3.5 材料比熱率隨溫度變化曲線
（3）選擇Define Material Model Behavior 對話框中的Specific Heat選項，在文本框中依次輸入900℃至100℃時45鋼的材料比熱。點擊Graph,材料比熱率隨溫度變化曲線如圖3.5所示?！?
（4）選擇Define Material Model Behavior 對話框中的Densiy選項，在文本框中輸入45鋼的密度7800。
3.5.4創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格
(1)選擇 Main Menu | Preprocesor | Modeling | Creat | Areas | Rectangle | By Dimensions 命令，出現(xiàn)對話框，如圖3.6所示對其進行設(shè)置。
圖 3.6 Create Rectangle by Dimensions對話框
圖3.7 網(wǎng)絡(luò)劃分
（2）選擇Main Menu | Preprocesor | Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | All Lines命令，出現(xiàn)Element Size on All Selected Lines菜單，在NDIV文本框中輸入單元個數(shù)20。
（3）選擇Main Menu | Preprocesor | Meshing | Mesh | Areas | Free出現(xiàn) Mesh Areas對話框，選擇Picked All，單擊ok按鈕關(guān)閉該對話框。顯示窗口顯示網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果，如圖3.7所示。
3.5.5加載求解
（1）設(shè)置分析類型：選擇Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis命令,在彈出的New Analysis對話框中選擇分析類型為Transient，單擊OK按鈕，在彈出的Transient Analysis對話框中選中Full單選框。
（2）設(shè)置初始溫度：選擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Initial Condit’n | Define命令，在彈出的對話框中，單擊Pick All按鈕,彈出Define Initial Conditions對話框。選擇自由度為TEMP，并設(shè)置初始溫度為840℃。
（3） 施加外邊界條件：選擇Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines命令，彈出線拾取對話框，選中模型的外部邊界后，彈出Apply CONVC on Lines對話框，在其中VALI Film coefficient一欄中輸入空氣對流傳熱系數(shù)20，在 Bulk temperature欄中輸入冷卻溫度為20℃，如圖3.8所示。
（4）設(shè)置時間和載荷步：選擇Main Menu | Solution | Load Step Opts | Time/Frequenc | Time-Time Setup命令，彈出Time and Time Step Options對話框，在Time一欄中輸入分析的最終時間3600，在時間步長一欄中輸入步長時間1；在加載方式單選按鈕中選擇Stepped，在DELTIM欄輸入1，在Maximum time step size欄輸入5。
（5）設(shè)置結(jié)果輸出項：選擇Main Menu | Solution | Load Step Opts | Output Ctrls | DB/Results Files命令，彈出Controls for Database and Results File對話框。在FREQ File write frequency欄中選擇Every Substep。
（6）求解：選擇Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，單擊OK按鈕，求解開始。求解完畢后會彈出提示對話框。
圖3.8 Apply CONVC on Lines對話框
3.5.6 查看溫度分布圖
（1) 選擇Main Menu | General Postproc | Read Results | By Pick命令選擇第900秒的計算結(jié)果。在Results Files對話框中，選擇時間為900，單擊Read按鈕，單擊Close關(guān)閉對話框。
（2）選擇Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solution命令，在彈出的Contour Nodal Solution Data對話框中，選擇DOF Solution | Nodal Temperature，單擊OK，得到第900秒45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖，如圖3.9所示。
（3）按照同樣的步驟，畫出45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面在1800秒和3000秒溫度分布圖。如圖3.10和3.11所示。
圖3.9第900秒45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖 （單位：℃）
圖3.10第1800秒45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖 （單位：℃）
圖3.11第3000秒45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖 （單位：℃）
3.5.7 獲取關(guān)鍵點溫度隨時間變化的曲線圖
（1）選擇Utility Menu | PlotCtrls | Style | Graphs | Modify Axes命令，出現(xiàn)Axes Modifications for Graph Plots對話框，參照圖3.12對其進行設(shè)置。
（2）選擇Utility Menu | PlotCtrls | Style | Graphs | Modify Grid命令，出現(xiàn)Grid Modifications for Graph Plots對話框, 參照圖3.13對其進行設(shè)置。
（3）選擇Main Menu | TimeHist Postpro | Define Variables命令，出現(xiàn)Defined Time-History Variables對話框，單擊Add，出現(xiàn)Add Time-History Variables對話框，選擇Nodal DOF result，單擊OK按鈕，出現(xiàn)Define Nodal Data菜單，選擇點K1,出現(xiàn)Define Nodal Data對話框。如圖3..14為各點位置示意圖。
(4)選擇Main Menu | TimeHist Postpro | Graph Variables命令，出現(xiàn)Graph Time-History Variables對話框，在NAVR1 1st variable to graph文本框中輸入2，單擊OK,。如圖3.15中心溫度隨時間的變化關(guān)系曲線圖。
圖3.12各點位置示意圖
圖3.12 Graph Time-History Variables對話框
圖3.13 Graph Time-History Variables對話框
(5)按同樣的步驟可取其他點的溫度隨時間變化的曲線圖，圖3.16、3.17、3.18分別為點 K2、K3、K4的溫度隨時間變化曲線圖。
圖3.14各點位置示意圖
圖3.15 K1點溫度隨時間變化曲線圖 （單位：℃）
圖3.16 K2點溫度隨時間變化曲線圖 （單位：℃）
圖3.17 K3點溫度隨時間變化曲線圖 （單位：℃）
圖3.18 K4點溫度隨時間變化曲線圖 （單位：℃）
3.6 數(shù)值模擬結(jié)果與討論
3.6.1 45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖分析
圖3.9為900秒時45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖。從圖中可以看出，由內(nèi)到外依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍色、藍色，并圓形梯度分布，其中紅色代表的溫度范圍是257.696-257.581℃，溫度最高，藍色代表的溫度范圍是256.665-256.779℃，溫度最低，其他各色依次內(nèi)到外溫度逐漸降低?？绽涑跗?，溫度擴散明顯，其中芯部溫度最高，為溫度840℃，溫度變化明顯，傳遞到了周圍的大氣中。
圖3.10為1800秒時45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖。從圖中可以看出，由內(nèi)到外依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍色、藍色，并圓形梯度分布，其中紅色代表的溫度范圍是67.398-67.419℃，溫度最高，藍色代表的溫度范圍是67.234-67.254℃，溫度最低，此時整個圓柱體試驗降溫趨于平緩，整體溫度差不大。
圖3.11為3000秒時45鋼圓柱旋轉(zhuǎn)面的溫度分布圖。從圖中可以看出，全圖只有紅色，其中紅色代表的溫度范圍是25.311-21.332℃，此時圓柱體試驗冷卻完畢，溫度基本為室溫。
3.6.2 溫度隨時間變化的曲線圖分析
圖3.15 、3.16、3.17、3.18分別為點K1、K2、K3、K4的溫度隨時間變化的曲線圖。圖3.13是K1點的溫度隨時間變化的曲線圖，K1點溫度的變化趨勢為：45鋼試樣從840℃開始降溫，前期0-800秒時冷卻速度較快，800秒時溫度降到了300℃，后期趨于平緩。2800秒-3600秒時材料溫度接近室溫，冷卻基本結(jié)束。
K2、K3、K4的溫度隨時
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