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1、诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目： T12钢热处理过程温度场的数值模拟 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程 学号： 1120182 14 学生： 指导教师（含职称）： （副教授）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T12钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉T12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
2、据。2主要任务（1）制定T12钢热处理工艺。（2）模拟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）模拟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T12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 刘旭麟，高路斯，刘顺华，等.T8钢淬火热处理组织的计算机模拟研究J. 热加工工艺，2006，35（6）：44-46.2 张建峰，王翠玲，吴玉萍，等. ANSYS有限元分析软件在热分析中的应
3、用J.冶金能源，2004，（05）：9-13.3 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）：97-99.4 崔忠圻，覃耀春.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3月23日2软件学习，完成加热过程温度场计算 3月24日4月13日3完成冷却过程温度场计算 4月14日5月 4日4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月22日审核人： 2015 年 1 月 16 日T12钢热处理过程温度场的数值模拟摘
4、 要：本文采用ANSYS有限元软件，建立了T12钢有限元模型，对T12钢热处理过程的二维轴对称温度场进行了分析计算，得到了T12钢热处理过程不同时刻的温度场分布和钢件上所选特定点温度分布。结果表明温度场的计算机模拟可以快速准确的获得任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。尽管本文对相变潜热忽略和数值计算模型本身就有的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但模拟出来的温度场变化规律是合理的。关键词：T12钢，热处理，温度场，有限元模拟Numerical Simulation of Temperature Field in Heat Treatment Process of T12 Ste
5、elAbstract：In this paper, field element model are built and two dimensional axis-symmetric temperature field in the process of heat treatment of T12 Steel is simulated with finite element software of ANSYS. The temperature field at different moments and temperature distribution of selected special p
6、oints are obtained. The simulation results show that the change of temperature over time of internal position of the T12 steel can quickly and accurately obtain. There are some errors in temperature field simulation. Although we ignore the latent heat and the numerical model of inherent error, it is
7、 reasonable to simulate the temperature field variation.Keywords: T12steel, Heat treatment, Temperature field, Finite element simulation目 录1 前言11.1 研究目的及意义11.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展21.3 本文研究的内容21.4 本章小结32 有限元法概述42.1 数值模拟的基本概述42.2 ANSYS有限元软件42.2.1 ANSYS的概述52.2.2 ANSYS的功能52.2.3 ANSYS的用户界面72.2.4 ANSYS分析的基本
8、过程82.3 温度场计算基本原理 92.3.1 温度场92.3.2 温度场控制方程92.3.3 初始条件和边界条件92.3.4 热物性参数的选择和相变潜热的处理102.3.5 瞬态非线性温度场的求解102.4 本章小结113 碳素工具钢及其热处理工艺研究123.1 碳素工具钢123.2 热处理简介和碳素工具钢的热处理123.3 T12钢的热处理工艺133.3.1 T12钢的物性参数133.3.2 T12钢的热处理工艺143.4 本章小结154 有限元模拟过程164.1 有限元建模164.2 有限元模拟具体步骤164.3 结果与分析224.3.1 球化退火过程温度场结果和分析224.3.2 淬火
9、过程温度场结果和分析254.3.3 回火过程温度场结果和分析284.4 本章小节305 结论31参考文献32致 谢34 II太原工业学院毕业设计1 前言碳素工具钢资源丰富、易于锻造成形、切削加工性能好、原料来源方便、便于回收利用，经热处理后能够得到高的硬度和高的耐磨性。在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。全球诸多工业国家，在努力提高低合金高强度钢和合金钢产量的同时，也高度关注改进碳素钢的各项力学性能，扩展其品种和应用领域。目前，碳素钢的产量约占钢总产量的80%左右，它不仅广泛应用于路桥、轨道交通、汽车、船舶、建筑、军工和机械制造工业，而且在近代的海洋幵发、航天工程等方面也得
10、到广泛使用。1.1 研究目的及意义在近代工业中，碳素工具钢是使用最早、用量最大的金属材料。但随着科学技术的进一步发展，对碳素工具钢零件的性能和可靠性要求越来越高。碳素工具钢零件的内在性能和可靠性除了与材料成分特性有关外，更是与其热处理工艺方式密不可分。合理的热处理工艺可以有效的优化零件内部组织分布、控制晶粒尺寸、改善应力状态，从而更好的发挥碳素工具钢的潜力，扩大其应用范围。由此可见在现代工业中热处理具有十分重要的地位。在热处理过程中，温度是涉及所有热处理工艺过程的基本参数。温度的变化直接决定工件内部显微组织结构及热处理后工件内部的残余应力1。因此在热处理过程中对零件的温度场进行研究具有重要的实
11、际意义。在理论上对温度场的解析是很困难的，甚至于是不可能的。采用物理模拟方法对温度场模拟进行研究也存在很大的局限性。因此借助先进的计算机技术，应用数值模拟的方法对热处理过程温度场的研究具有十分重要的意义。目前常用作数值模拟的有限元软件主要有NASTRAN、ASKAANSYS、COSMAP等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了非常好的成果。在这些有限元软件中，ANSYS软件不仅可以将热处理过程动态、逼真的模拟出来，还可以清晰直观的显示热处理过程任意时刻、任意节点的温度分布2。因此本文采用ANSYS软件对T12钢热处理过程温度场进行模拟。1.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展早
12、期人们采用人工测量、经验判断或两者相结合来研究热处理过程的温度场。随着计算机和数值模拟技术的日益发展，人们开始采用数值模拟来对热处理过程的温度场进行研究，并取得了很大的进展。国外在温度场计算方面的研究起步较早，19世纪70年代左右己经实现了非稳态温度场的数值计算；随后，在热处理过程温度场数值计算中开始考虑相变潜热释放、对流换热系数的选取和热物理性参数等非线性因素3。21世纪以后，国内外公司和学者先后开发了HEARTS、SYSWELD、DEFORM、DANTE、Thermal Prophet、ABAQUS、ANSYS、MARC 等大型有限元软件。这些软件广泛应用于热处理的正火、退火、淬火、回火、
13、渗碳渗氮、感应加热及金属再结晶、晶粒长大等现象中的数值模拟。我国开展热处理数值模拟工作比较晚，首先是一些学者和留学生开始了这方面的研究4。二十世纪八十年代后，国内的一些大学，公司开始陆续开展研究工作；殷雯等通过求解碳钢零件淬火过程温度场的分布，得出了一种不需要由实验测量的平面及轴对称零件淬火冷却时温度分布的确定方法5；朱圆圆等采用ANSYS对45钢淬火过程温度场进行了研究，得出了淬火时45钢应选用的合理淬火介质以及淬火的时间控制6。目前数值模拟不仅能对热处理温度场进行动态、逼真的模拟，它还可以预测工艺结果是否符合组织、性能要求，进行安全评估等。利用数值模拟不仅可以对现行工艺进行校核，而且可以优
14、化工艺方案和参数，从而使热处理工艺的制定建立在更可靠的科学基础上。通过各国学者的不断努力热处理温度场的数值模拟将不断完善并走上实用化。1. 3 本文研究的内容本文以T12钢为代表的碳素工具钢为研究对象，利用有限元软件ANSYS，模拟热处理过程中T12钢的温度场。在热处理过程中温度是基本的参数，它对产品的结构和尺寸有着重要的影响，因此在设计和加工过程中要充分考虑温度这个因素。可见对热处理过程中温度场的数值模拟具有重要的工程实际意义。本文主要进行以下几方面工作：1) 了解碳素工具钢和热处理规范，能够制定出T12钢合理的热处理工艺。2) 介绍了有限元软件ANSYS和其热分析功能，并简述了数值模拟技术和有限单元法。3) 根据传热学和热力学第一定理等基本原理,建立了轴对称温度场的微分方程，并讨论了热处理过程的初始条件和边界条件。4) 讨论了瞬态温度场非线性的求解和相变潜热对温度场的影响，并讨论热处理过程中工件表面的综合换热系数的选择。5) 建立T12钢二维温度场有限元模型，并在模型中考虑了材料非线性的影响。6) 对制定的T12钢热处理工艺进行了数值模拟计算，并分析热处理过程温度场分布对T12钢组织和力学性能的影响。温度场数值模拟的现实意义在于,
