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1、 合金钢热处理油冷过程分析 摘要：40cr是工业生产中最常用的材料之一，改善40cr的性能具有重大意义。对此对40cr进行试验研究，分析热处理前后材料组织和力学性能的改变，测定热处理前后材料硬度、塑韧性的变化，并进行材料的金相组织分析。利用有限元分析软件ANSYS模拟40Cr热处理油冷过程温度场与时间的变化关系，热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。模拟合金钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的变化；与45钢油淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 通过模拟获得了温度长随时间的推移而降低。热处理过后材料的硬度和塑韧性都发生了显著的变化，观察
2、到材料的金相组织。关键词：ANSYS软件；热处理工艺；组织和力学性能；金相组织 Abstract： 40 cr is one of the most commonly used materials in industrial production, to improve the performance of 40 cr is of great significance. Analysis, experimental research of 40 cr for the organization and mechanical properties of materials change befor
3、e and after heat treatment, the determination of material before and after heat treatment, the change of the plastic toughness, hardness and microstructure analysis of materials. Using finite element analysis software ANSYS to simulate the 40 cr oil cooling heat treatment process and the changes of
4、temperature and time of heat treatment purpose is to change the internal organization structure of steel, to improve its performance. Simulation of alloy steel heat treatment in the process of the oil cooling temperature field changing with time; Research organizations and the change of mechanical p
5、roperties of alloy steel before and after heat treatment, And after oil quenching of 45 steel structure and mechanical properties of comparison, analysis of reasons. By simulating the temperature long over time. After heat treatment the hardness of materials and plastic toughness, significant change
6、s have taken place in the materials microstructure was observed.Key words：ANSYS software; Heat treatment process; Organization and mechanical properties; The microstructure目 录1 绪论11.1设计研究目的及意义：11.2需要解决的问题：22 热处理研究概况22.1热处理的中国发展史32.1.1热处理在我国的发展史32.1.2国内外热处理技术概况42.1.3热处理技术52.1.4我国热处理计算机模拟技术应用63计算机模拟实验
7、83.1 ANSYS模拟实验介绍83.1.1 阐述83.1.2 ANSYS特点及应用领域103.2模拟实验的确定123.3实验内容123.3.1定义单元类型123.3.2定义材料性能参数123.3.3创建几何模型，划分网格133.3.4加载求解163.3.5参看求解结果203.4数值模拟结果与讨论224 热处理实验234.1 40Cr实验前分析234.1.1合金钢的分类与编号234.1.2合金钢编号方法244.2 40Cr的性能244.2.1 40cr的组织性能244.2.2 40Cr的化学性能254.3 40Cr热处理实验内容264.3.1实验仪器及目的274.3.2淬火工艺285 40Cr
8、热处理后的组织与性能285.1 本课题的研究方案285.1.1 本次毕业设计的过程总括295.1.2实验材料295.2热处理实验内容295.3 40Cr金相组织分析305.3.1 850 20min淬火后的金相组织305.4 硬度试验305.4.1布氏硬度试验305.4.2 洛氏硬度325.4.3硬度测试335.5 拉伸试验336 40Cr与45钢的热处理前后对比分析346.1 45钢与40Cr的洛氏硬度的比较346.2 40Cr与45钢的金相组织对比356.3 40Cr与45钢的拉伸性能比较36结论与展望38参考文献39致谢40III太原工业学院毕业设计1 绪论1.1设计研究目的及意义：合金
9、钢（ alloy steel） 钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材大约是在19世纪后半期。当时由于钢的生产量和使用量不断增大，机械制造业需要解决钢的加工切削问题，。国际上使用的有上千个合金钢钢号，数万个规格，合金钢的产量约占钢总产量的10%，是国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料。合金钢的主要合金元素有硅、呜、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌
10、、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改变钢的内部结构，以改善其性能，延长机器零件的使用寿命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析降低内应力，使钢的组织和性能更加均匀。根据加热、冷
11、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（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（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，热处理工艺又可分为预备热处理和最终热处理1。合金钢热处理及空冷过程温度场分布要考虑热分析，而热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。在实际生产中，常常会遇到各种各样的热量传递问题，包括热传递、热流密度、热应力、相变、温度分布等这些参数的确定。目前常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法离散单元法和有限差分法，其中有限元法是应用最广泛的。ANSYS软件就是以有限元法为载体的2。ANSYS软件的热分析功能主
12、要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及与热有关的耦合场分析3。淬火冷却过程属于热分析中的瞬态分析。在淬火过程中，零件各部分在冷却过程中温度分布和组织转变是不均匀的，最终在零件内部形成热应力和相变应力，直接影响零件的机械性能和使用寿命。甚至在使用过程中产生变形和开裂。生产实践表明，淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序，是热处理质量控制中最难掌握的环节。淬火过程温度分布的传统方法是依靠试验测定和经验判断，不能准确分析和预测淬火过程的温度场4。计算机模拟可将热处理过程动态的、逼真的模拟，ANSYS软件具有友好的用户接口，强大的分析功能，特别适合复杂零件淬火过程温
13、度场的动态模拟。可快速准速地获得钢件淬火过程降温历程、温度分布5。1.2需要解决的问题： 模拟合金钢热处理油冷过程中温度场随时间的变化关系；研究合金钢热处理前后组织及力学性能的变化；与45钢油淬后的组织和力学性能进行比较，分析原因。 拟研究手段：通过建立有限元模型，模拟合金钢热处理油冷过程温度场分布，热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具，ANSYS软件是融结构、热、流体、物理场于一体的大型通用有限元分析软件主要包括3个部分：前处理模块、求解模块、后处理模块。热分析是ANSYS软件分析功能的一个模块，；（2）通过实验研究，分析热处理前后合金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
14、提供一定的理论依据。在淬火冷却过程中，因为零件内部温度分布不均匀，这些应力的存在会直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当将会造成零件组织性能达不到预定要求，甚至会产生过量变形或开裂儿报废。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。建立有限元模型，模拟合金钢热处理油冷过程温度场分布；通过实验研究，分析热处理前后合金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 热处理研究概况2.1热处理的中国发展史2.1.1热处理在我国的发展史 我国热处理技术的历史很悠久。在扮俐器时代，我们的祖先就已经开始认识到热处理的作用，早在殷商时期(约公元
15、前1600-公元前1100年)，就已经发明了用退火方法软化金城箔的技术。在春秋战国时期(公元前770一公元前221年)，已经掌握了常用的热处理工艺如退火、正火、淬火和渗碳等技术，白n铸铁的柔化处理就是最早出现的热处理工艺之一，其实质包括石里化退火和脱碳退火工艺这种方法到西汉时期已发展得比较成熟到公元前6世纪，钢铁兵器被逐渐使用为了提高俐的硬度.淬火工艺得到迅速的发展。1974年在河北省易县燕下都出上了战争中、晚期的两把剑和一把枚金相分析表明其显微组织中都有马氏体存在说明是经过淬火处理的。 到西汉时期我国的热处理技术水平已经达到较高水平，在我F1出土的西汉中期刘胜(中山劝王)墓中的宝剑，心部含碳吐最低处为0.05%。一般为0.15%-0.4%.而表面含碳员却高达。以上其有一定的碳浓度梯度。说明已经使川用渗碳工艺。但当时这种技术作为个人的“手艺”属于绝对秘密.是不肯外传的，因而限制了该技术的发展。在汉代
