45钢热处理水冷过程分析.docx
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45钢热处理水冷过程分析
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.
[1]
[2]
[3]
[4]
主要参考文献
ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用[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,2008ANSYS10.0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2014.03.10
2
阅读文献,深入学习软件,确定实验方案
2014.03.10至2014.03.31
3
进行模拟计算和试验,准备中期检查
2014.04.01至2014.04.20
4
完成模拟计算和试验及结果分析
2014.04.20至2014.05.15
5
撰写毕业论文,准备答辩
2014.05.15至2014.06.05
4.
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
Heattreatmentof45steelcoolingprocessanalysis
Abstract:
45steeliscarboninthehigh-qualitysteel,Wc=0.45%,hotandcoldprocessingperformaneeisgood,bettermechanicalproperties,andlowcost,easytoget,sowidelyusedinmachinerymanufacturing.Oftenusedinthesmallcrosssection,theloadofconditioningparts,suchasmainshaft,crankshaft,gear,connectingrod,sprocket,etc.,itsbiggestweaknesslowhardenability,sectionsizeandrequireshighworkpieceisnotsuitableforadoption.Higherrequirementsforperformaneeparts,conditioningtreatmentmustbecarriedout.Aftertemperingprocesson45steel,geteveniytemperedsorbite,makingithasbettercomprehensivemechanicalproperties.
StudythissubjectmainIythroughexperimentandANSYSsoftwaresimulation.
Includingwaterquenchingheattreatmentof45steelandheattreatmentbeforeandafterthecontrastofmechanicalpropertiesandmicrostructureof45steel;Also,themechanicalpropertiesof40cralloysteelheattreatmentandwaterquenching;
WorkpieceduringquenchingtemperaturediffereneebetweeninsideandoutsidethethermalstressandorganizationstresscanresultfromthefiniteelementANSYSsoftwareof45steelheattreatmentofwaterquenchprocess,tosimulatethetemperaturefieldanalysisofthevariouscomponentsofaworkpieceintheprocessofwaterquenchingheattreatmenttemperature,inordertooptimizetheheattreatmentprocess,theworkpieceafterheattreatmenttoobtainbettermechanicalperformaneetoprovidecertaintheoreticalbasis.
Keywords:
45steel,heattreatment,mechanicalproperties,thetemperaturefield
simulation
2资料综述
2.1钢的分类
2.245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
3.2
45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
3.545
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.6
11
13
13
13
14
14
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
4ANSYS有限元分析软件
14
14
16
16
17
17
4.1ANSYS软件概述
4.2基于ANSYS的淬火温度场的数值模拟实例分析
18
19
4.2.1前处理阶段
19
422温度分布图
23
4.2.3获取关键点温度随时间变化的曲线图
26
4.3小结
29
总结…
参考文献
30
31
32
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。
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W5%、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2.145钢相关信息
钢号
化学成分
热处理
力学性能
应用举例
45
C%0.42-0.50
IW0.5-0.8
Si%0.17-0.37
Cr%w0.25
正火850C淬火:
840C水回火:
600C
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55HRC0调质处理后零件具有良好的综合力学性能,即硬度尚可,塑性较高。
2.245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30-50C,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,
840C。
淬火后获得粗大的马氏体。
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,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,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15min,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840r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。
3.245钢的热处理
3.2.1试验设备的介绍
箱式加热炉见图3.10
0
5
4.接线盒;5.试样;
1.加热室;2.加热丝孔;3.测温孔;
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。
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30-50C,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+(30-50C)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,其正常淬火温度当然是Aci+(30-50r)o
3.2.3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。
1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。
2将压头装在主轴衬套内,先暂时将压头固定螺钉旋压在压头杆扁平处。
X
E
尿HBe-am电于痛氏««苛iVM-I■■询卜.
图3.2HBE-3000布氏硬度计
3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。
4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。
5逆时针转动手轮,降下工作台,取下试样。
6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d2的数值,取
平均值。
7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。
1试样的试验面应制成光滑平面,不应有氧化皮及
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