20钢热处理正火过程温度场分析.docx

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1、任务书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20 钢的概况、钢的热处理原理和热处理工艺；熟悉20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20钢热处理工艺。(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20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

2、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.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

3、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日摘要：选取20钢为研究对象，利用ANSYS软件建立有限元模型，通过热分 析模块对20钢正火过程温度场分布进行了模拟计算。结果表明随着逐渐的冷却， 零件的温度迅速降低，零件的各个点温度下降的速率不同，而且随着冷却的时间 越长，温度也随之越来越低。在空冷刚开始的时候，温度下降的速度较快，中心 降温过程中受零件其他部分的热影响大，下降速度慢。关键词：20钢；温度场；ANSYS模拟Thermal analysis of Steel 20s normalizing heat-treatmentAbs

4、tract Select 20 steel as the research object, the finite element model is establis by use of ANSYS software,and throughthe thermalanalysimodule of 20 steel normalizingprocesssimulatioon temperaturfielcdistributidnesultsshow that along with the gradually cooling, the temperature of the parts to reduc

5、e rapidly, ea( point temperature drop rate of different parts, and as the longer the cooling time, temperature has been more and more. In air cooling in the beginning, the temperature drops faster, center by the rest of the parts in the process of cooling heat affecte( slow down.Keyword: steel 20The

6、 temperature f ；eAdisys simulation目录1绪论11.1研究目的及意义11.2国内外研究进展11.3研究的主要内容21.4研究方法32 20钢热处理工艺42.1 20钢概述42.2 热处理工艺的制定53 ANSYS有限元软件83.1 简介83.1.1 热分析93.2 主要模块介绍93.3 有限元单元法概念124 基于ansys正火过程温度模拟134.1 温度场数学模型建立134.2 相关数据确定134.3 材料参数144.4 前处理154.5施加载荷174.6求解及分析结果174.6.1正火过程某些时刻温度场分析174.6.2空冷过程某些特定点位置随时间变化曲线图

7、204.7模拟结果分析 235 总结245.1展望24参考文献25致谢271绪论1.1研究的目的及意义20号钢是含碳量为0.2%的低碳钢，很少淬火，无回火脆性。切削加工性冷 拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢属于 优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。 抗拉强度为355-500MPa，伸长率N24%，密度是7.85。20钢热处理是我国18个热处理厂新技术工艺推广项目之一，主要靠通过高 温加热，快速冷却淬火得到低碳马氏体，该工艺具有较高的强度和硬度，良好的 塑韧性，搞得疲劳强度，良好的工艺性能，价格低，热处理操作简单1。正火，又称

8、常化，是将工件加热至Ac3（Ac是指加热时自由铁素体全部转变 为奥氏体的终了温度）或Acm（Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温 度线以上30-50C，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风 冷却的金属热处理工艺。其目的是获得一定的硬度、细化晶粒，并获得比较均匀 的组织和性能。低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。但是对有些碳的质量分数低于 0.20%的钢，即使按通常正火温度正火后，自由铁素体量仍过多，硬度过低，切 削性能仍然较差。为了适当提高硬度，应提高加热温度（可比Ac3高100C）， 以增大过冷奥氏体的稳定性，而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分 散度较

9、大的铁素体。计算热处理正火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，通过研究，让我更加了解20钢通过正火过程温度场分析的准确数据， 更深的了解对20钢的认识。1.2国内外的研究进展多年来20钢以其优良的性价比在石油化工等行业得到了更广泛的应用3， 但在大型构件的实际生产中，有焊接过程复杂的温度变化所引起的焊接变形和残 余应力往往影响结构的使用寿命，因此，对温度场的研究一直受到普遍重视。随 着计算机技术的发展，人们逐渐开始采用数值模拟的方法来分析温度场，但目前 基于20钢焊接温度场的分析大多集中于薄板焊接接头。在2003年，李晋梅等人对20钢中厚板焊接过程温度场的数值模拟进行

10、了 分析，以20钢中厚板对接接头为研究对象，运用ansys有限元分析软件，建 立了其多道焊焊接温度场的有限元模型，采用分布加载的方法对其焊接过程的温 度场模拟，得到了 20钢中厚板焊接过程中焊缝区的瞬态温度场以及个点的焊接 热循环曲线；在2005年，傅敏士等人研究了正火处理对20钢内部裂纹愈合的影 响，通过对含有内部裂纹的20钢试样采取一次加热正火和二次加热正火处理， 探讨其内部裂纹愈合的可能性，得出的结论是愈合的程度主要取决于加热温度， 而保温时间的影响相对较少；在2007年，董洁等人研究了 20钢管道对埋弧自动 焊接温度场模拟，采用有限元法，建立20钢管道对接焊接接头有限元计算模 型，通过

11、改变焊接电流调试能量输入，最终获得最佳焊接电流选取范围为 720-800A；李刚等人也研究20钢渗碳过程中温度场及应力场的数值模拟，利 用ansys有限元分析软件对20钢渗碳过程中温度场和应力场进行述职模拟，得 到了渗碳60s后的的温度场云图，将温度场模拟求得的节点温度作为体载荷施加 到应力分析中，得到应力场的模拟结果，对模拟结果进行验证；赖宏等人研究了 45钢件淬火过程温度场的ansys模拟，通过利用ansys有限元软件对45钢进 行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。1.3研究的主要内容主要研究的是20钢热处理正火过程温度场分析。1、计算热处理加热过程某些时刻温

12、度场的分布及某些特定位置温度随时间 的变化关系。2、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。3、采用ANSYS软件来模拟此次数值。4、通过查阅资料了解20钢的概况，然后了解它的热处理原理和热处理工 艺。5、熟悉它的热处理工艺的方法，学习软件ANSYS，使用ANSYS软件通过有 限元法计算各个节点温度，并到处其他物理参数。通过最后得到的数据结果来分析热处理过程温度场分布对20钢组织和力学性能的影响。1.4研究方法在材料科学研究中，除去基础理论的研究和实验研究外，计算机模拟研究 9已经成为解决材料科学中实际问题的第三种重要方法。随着计算机技术的发展，很多计算机模

13、拟系统得到普及，我们所学的是其 中的一种ansys软件，而且ansys软件是融结构、热、流体、电磁、声学为一体 的大型通用有限元软件。通过软件来模拟所需要的，不仅可以省去材料，而且也可以更加快速方便 的得出自己所需要的结果，也可以很容易获得钢件热处理过程的动态图、温度分 布以及它的一些性能，取得满意的结果。2 20钢热处理工艺2.1 20钢的概述20号钢，含碳量为0.2%,该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、深碳淬硬钢。 该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为253-500MPa，伸长率N24%, 密度是7.85，无冲击韧度。强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯

14、曲、 压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形 要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状 态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。冷变形塑性高，一般供弯曲、压延用，为了获得好的深冲压延性能，板材 应正火或高温回火；用于不经受很大应力而要求很大韧性的机械零件，如轴套、 螺钉、杠杆轴、变速箱变速叉、齿轮、重型机械拉杆、钩环等，还可用于表面硬 度高而心部强度要求不大的渗碳于氤化零件。还可适用于制造汽车、拖拉机及一般机械制造业中制作不太重要的中小型 渗碳碳氮共渗等零件，如汽车上的手刹蹄片、杠杆轴、变速箱速叉、传动被动齿 轮及拖拉机上凸轮轴、

15、悬挂平衡器轴、平衡器内外衬套等；在热轧或正火状态下 用于制造受力不大，而要求韧性高的各种机械零件；在重、中型机械制造业中， 如锻制或压制的拉杆、钩环、杠杆、套筒、夹具等。在汽轮机和锅炉制造业中多 用于压力W6N/平方，温度W450C的非腐蚀介质中工作的管子、法兰、联箱及各 种紧固件；在铁路、机车车辆上用于制造十字头、活塞等铸件。20号钢在正火状态屈服点为245MPa，伸长率为25%;调质状态屈服点为 280MPa，伸长率为22%广泛用于制作负载不大、韧性要求高的零件，如重型及通 用机械中的锻压的拉杆、套筒、夹具及衬垫，一般机械及汽车、拖拉机中的中小 型渗碳、氤化零件。如表2.1和表2.2。品名

16、化学成分（重量百分比）Chemicai composition（WT%）碳（C）锰（Mn）磷（P）硫(S)镍(Ni)铬(Cr)硅(Si)铜(Cu)20号钢0.170.240.35一0.65W0.0400.040.250.250.170.370.25表2.220号钢的力学性能机械Chemicai p硬度抗拉强度屈服强度(HB)(Mpa)(Mpa)热轧钢N420N250性质roperities伸长率面积缩减冲击功%(J)N25N55无由表2.1和表2.2可以看出20钢的化学性质以及物理性能，20钢相变近似点的值，如图2.1所示图2.120钢相变近似值Ac1=735C, Ac3=855C, Ar3=

17、835C, Ar1=680C2.2热加工工艺的制定20号钢的未进行热处理前的平衡组织是铁素体和渗碳体，进行热处理后由 珠光体将转变成奥氏体，随着加热温度的升高，原子扩散系数增加，特别是碳在 奥氏体中的扩散系数的增加，加快了奥氏体的形核和长大速度。同时加热温度升 高，奥氏体中的碳浓度差增大，浓度梯度加大，故原子扩散速度加快。另一方面， 加热温度升高，奥氏体与珠光体的自由能差增大，相变驱动力 Gv增大，所以 随奥氏体形成温度的升高，奥氏体的形核率和长大速度急剧增加，因此转变的孕 育期和转变所需时间显著缩短，加热温度越高转变孕育期和完成转变的时间越 短。奥氏体形成后随着加热温度的升高晶粒急剧长大。在

18、奥氏体形成过程中，铁 素体先消失，因此奥氏体形成之后，还残存未溶渗碳体。这些残余渗碳体将随着 时间的延长，继续不断地溶人奥氏体，直至全部转变为奥氏体。通过对20钢的了解和分析，首先通过正火过程加热，然后进行空冷，而正 火工艺就是将钢件加热到Ac3 （或Acm）以上3050C12，保温适当的时间后， 在静止的空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100150C的正火则 称为高温正火。对于中、低碳钢的铸、锻件正火的主要目的是细化组织。与退火相比，正火 后珠光体片层较细、铁素体晶粒也比较细小，因而强度和硬度较高。低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，通 过正火提高硬

19、度，可改善切削性能，某些中碳结构钢零件可用正火代替调质，简化热处理工艺。过共析钢正火加热刀Acm以上，使原先呈网状的渗碳体全部溶入到奥氏体， 然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，从而能消除网状碳化 物，改善过共析钢的组织，故加热温度设定为920C。其热处理工艺曲线如图2.2 所示t/min图2.2热处理工艺曲线3. ANSYS有限元软件3.1简介ansys13软件是融结构、电场、流体、磁场、声场分析于一体的通用有限元 分析软件，其作为一个较完善的数值模拟通用软件已经成功的应用与很多领域 WE，是世界上增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能和多数计算机辅助 设计（CAD、co

20、mputer Aided design）软件接口，实现数据的交换和共享，如Creo、 NAST、Alogor、RAN、I-DEAS、AutoCAD等。目前在航空航天、机械制造、 石油化工、汽车交通、水利、日用家居等各个方面都有着广泛的应用17。而且 ansys这个软件在目前为止也是唯一一个通过IS090001国际质量认证的软件。Ansys软件有它的基本符号还有它基本的分析单位，其基本符号与意义如 表3.1所示表3.1基本符号及意义符号意义符号意义符号意义t时间hf对流换热系数Q热流率T温度E吸收率q*热流密度P密度8斯蒂芬-玻尔兹曼常数q内部热生成c比热容K导热系数E能接下来了解ansys软件

21、的基本分析单位以及国际单位如表3.2所示表3.2基本分析单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft时间ss质量kglb温度KF力NIbf能量（热量）JBTU功率（热流率）WBTU/sHEAT热流密度W/m2BTU/(sf2)HFLUX生热速率W/m3BTU/(sft3)HGEN导热系数W/(mk)BTU/(s-ft-F)KXX对流系数W/(m2-k)BTU/(s-ft2-F)HF密度Kg/m3Lbm/ft3DENS比热J/(kg-k)BTU/(lbmF)C焓J/m3BTU/ft3ENTH3.1.1热分析由热力学第二定律可知，在物体内部或物体之间，只要存在温度差，就会自 动发生由高温到低温

22、处的热量的传递。这种靠温度差为推动力的热量的传递现 象，是自然界和生成领域中普遍存在的一种能量的传递的现象，这种能量传递简 称为传热18。体系的温度场由体系与外界以及体系内部热量的传递所决定的，并且与材料 固化和溶解过程的相变、焦耳热、摩擦生热等热效应相关，ansys软件具有处理 热传导、热辐射和热对流等传递方式的能力，并且可以通过计算各种热效应对 体系温度场的影响。热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元，然后根据能量 守恒定律求解一定边界条件下每一个节点处的热平衡方程，然后计算出各节点的 温度，进一步的求解出其他相关量19。3.2主要模块介绍主要包括三个部分：前处理模块、求解模块

23、、后处理模块。在前处理模块可以随意的建立有限元模型，然后对其划分网格；求解模块 可以对电磁场、流体动力场、结构场、耦合场以及声场进行分析计算，因为它具 有优化分析和灵敏度分析的功能；后处理模块主要是用于将模拟结果以矢量、梯 度、彩色等值线、立体切片、粒子流动轨迹、立体切片、改变透明度等方式显示 出来，通过这样的方式，才能让用户看到该构件的内部结构，也可以通过云图、 曲线的形式显示出计算结果20首先在前处理这个模块中，主要分为俩个部分：实体建模、划分网格我们要先定义建模中我们所需材料的单位，主要包括材料的特性、单位、 单元类型、实参数和材料库文件等。有3种建模方式，一种是自底向上法，一种是自顶向

24、下法，还有一种是外 部程序导入。自底向上法是由元最基本的的元素开始，由点到线，由线到面，由 面到体的一种方法，自顶向下法是较复杂的模型包含了大量的几何形体，首先应 对模型进行分析，明确其由哪些基本图形通过相互加、减或组合，外部程序导入 就是通过别的软件进行建模然后倒入到ansys中。对于网格划分有四种方法，延 伸网格划分、映射网格划分、自由网格划分和自适应网格划分。延伸网格划分主 要是将一个二维网格延伸成一个三维网格，利用体扫掠，从体的某一个边的界面 扫掠过后贯穿整个体生成的体单元。映射网格划分主要适合用于规则的面和体， 单元成行并且具有明显的规则形状，不过仅适用于四边形单元（对面）和六面体

25、（对体）。ANSYS程序的自由网格划分功能非常强大，这种网格划分方法没有单 元形状的限制，网格也不遵循任何模式，因此适合于对复杂形状的面和体进行网 格划分。自适应网格划分是在生成具有边界条件的实体模型之后，用户可以指示 程序自动生成有限元网格，分析和估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小， 再次进行分析计算、估计网格的离散误差，反复操作，直至误差低于用户定义的 值或者达到用户定义的求解次数。在求解模块中，求解之前，首先定义求解的类型、然后分析选项、载荷 数据和载荷步等，然后对已经生成的有限元模型进行有限元求解。Ansys软件有 多种类型的分析，大的方向可以划分为线性，稳态和瞬态，具体还包括可

26、以分析 热场、结构场、流场、多耦合场分析和电磁场等。分析计算得出最终结果，并保 存数据。求解之后就是后处理模块了，后处理模块指的是求解完成后查看并进行 分析结果的过程。这是整个有限元分析过程最为重要的一个环节，可以使用的后 处理器有俩个，一个是通用后处理器，这种的后处理手段能够通过值线图等方式 完成计算结果的直观显示，一个是时间历程后处理器，这种后处理手段主要用于 显示所求变量与时间之间存在的何种关系，然后间接的显示求解计算结果。计算 结果包括温度分布、应力分布、应变情况等，以图形和数据列表两种方式显示。 通过用后处理模块POST1主要以图形的方式显示求解出计算结果，时间历程响 应后处理模块P

27、OST26主要是显示求解结果在不同时间段有何不同，如节点温 度、节点应力等，可以通过曲线或者数据列表的形式显现结果。而且求解结束后， 大量的数据都能通过图像的形式形象的显示出来。由此可见，计算结果的数值图像显示也是一项重要的工作。有限元大致的模拟流程，如图3.1所示图3.1有限元模拟分析流程3.3有限元单元法的概述在实际工程问题当中，有限单元主要是用于数理方程问题的求解计算，早 期的有限单元法被应用于求解计算飞机结构中的应力，融合计算数学、弹性理论 和计算机技术所涉及的相关理论。因为有限元法具有灵活、快速、有效性等特点， 因此有限单元法的快速发展成为求解各领域数理方程问题的一种近似的通用的 计

28、算方法21。有限单元法把求解区域分成若干个子域，每个字域都会在节点处相互连接， 从建立的模型中可以看出方程的分片近似值。有限单元法能很好地去适应复杂的 边界条件、几何形状和材料特性等问题，这是因为它可以被分割成不同的形状和 不同形状。有限单元法解决实际工程的六个步骤：1、离散化连续体2、位移模型的选择3、单元刚性矩阵的推倒4、将离散化连续体整合为代数方程5、位移矢量求解6、通过节点位移计算所求量4基于ansys正火过程温度场模拟4.1温度场数学模型的建立温度T（x,y,z,t）作为空间坐标系（x,y,z）与时间t的函数，在区域Q中的任意一点均应满足如下微分方程式:式中，T温度Kt时间sP密度k

29、g/m3k热导率W/ (m K)Q区域Q的热源W/m3c定压热容J/ (kg K)在区域Q的边界上等温边界条件为:T(x,y,z,t)=T1 (x,y,z,t)热流和换热边界条件为：式中,n为边界表面外法线方向;a为表面传热系数，W/(m2-K)；Ta为周围介质温度，K；q为单位面积上的外部输入热流量，W/m2o4.2 相关数据确定加热温度一般在A3以上3050C，由图一和上表格可确定加热温度为 920C，密度为7800kg/m3,比热容703J/kgC，导热系数24.8W/m2C,之后冷 却到室温20C。在用ansys软件时，需要输入计算所需的材料参数，因此20钢的相关参 数如表4.1所示表

30、4.1 20钢的相关参数温度/%25i00200300400500600920对流换热系数/ (W m-2 Ct)一240300600i8004500一一导热系数/(W m-2 C-i)32.030.6一27.0一一25.224.8比热容/(J kg-i C-i)463465一498一一565703弹性模量/ (10iiPa)2.072.07一2.07一一2.072.07密度/ (kg m-3)78007800一7800一一78007800恒值密度0.708 i0.708 i一0.708 i一一0.708 i0.708 i恒值粘性/Xi0-5i.0i65i.0i65一i.0i65一一i.0i6

31、5i.0i654.3 材料参数选取零件尺寸为620mmX20mm错误!未找到引用源。将其加热到错误!未找到引用源。920C,保温30min，然后冷却至20C，用ANSYS分析以下数 据：(1) 、8s、20s、40s的温度场分布；(2) 、20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 随时间变化的关系。本次是正火过程分析，属于瞬态热分析，下图为钢件的实体和截面图，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。如下图所示，图4.2所示，a为圆柱图，b为截面图。a 圆柱体b截面图图4.14.4前处理(1)模型建立单元、节点、实常数、材料属性、载荷、边界条件，这些都

32、是建立有限元模 型的主要因素，有限元模型是由承受一定载荷的简单单元通过节点连接的方式组 成的，模型可以分为有限元模型和以及实体模型俩种，ANSYS软件主要通过以下 三种方法建立模型2句首先，建立实体模型，设定单元属性后对其进行网格划分 生成有限元模型。图4.2 整体模型本题选用的是轴对称图形，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。如下图4.3所示2) 设定单元类型应该根就选定单元、ANSYS单元类型库中存在100余种单元类型，用户在选择的时候 据所分析实际问题的物理环境来选择单元类型，一旦选定单元类型之后： 了所分析问题的物理环境，热分析提供的二维

33、单元主要有 PLANE35 PLANE55单元，三维单元有SOLID90单元、SOLID70等，根据本课题，所选择的单元类型为PLANE55。3) 添加材料属性材料属性和建立的模型的形状基本没有关系，而是与要分析的问题所处的 环境条件有关，环境条件不同，它们的材料属性页也有所不同，温度场分析需要 设定的材料属性基本不同，因为20钢正火过程属于瞬态热分析，因此需要给定 所需要的材料的属性参数随温度变化而变化的数值。4）网格划分网格划分有俩种方法，自由网格划分不限制单元形状，会生成不规则的单 元网格，映射网格划分限制单元形状，要求单元形状要有一定的规则，所以本文 采用映射网格划分方法，单元的大小设

34、置为默认设置，划分网格后可得下图4.4图4.3 划分网格4.5施加载荷热分析主要有温度、对流传热系数、热流密度等几种载荷形式。本课题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8s、20s、40s，错误!未找到引用源。设置为错误!未找到引用源。 淬火终止温度为20C（室温）4.6求解及分析结果4.6.1正火过程某些时刻温度场分析然后选取错误!未找到引用源。，读取加载求解后工件在空冷情况下8s、20s、 40s的温度场分布。下图分别为工件空冷情况下8s、20s、40s的1/2、1/4截面的 温度场分布：图4.5和图4.6分别是8s时1/2、1/4温度场的分布图，图4

35、.7和4.8分别是 20s时1/2、1/4温度场分布图，图4.9和4.10分别是40s时1/2、1/4温度场分布 图图4.4 8s时温度场（单位：。C）ANSYSEra 180012540D995NODRli SOLUTIONSTEP=1SUE -5TIME-S /EXPANDEDTEMP (AVG)图4.6 20s时温度场（单位：C）ANSYSMAY 21 2：28:39 NODftb ?7EP=1 R3 =11 ZZMZ=2j /EXPANDEDIEMP IfiVGFESE-3PcwerGh aDhics EFAC2=L5MM =694.Z7S 5MI -757.Z 35XV =1YT =

36、3 av =3DIST.OISW*KF =.J0125*YF =.00995*2F =-.0C5 2-3UFFER _ 胡4.二关701.17570S-ITSI 715-18743.19750.13II 757.195图4.840s时温度场（单位：C）二KAY 21 2015 21:28:39 tfODMi SOLUTION 5TEE=1SUB =11 TIME=20 泌 BAKDKDIEME- (MrG)i RSYS=0Powe rGraph.LC3 EFACT=1 AyRES=MatSMN -654.173 5MX -757.195XV =1YV =2 ZV =3*DI3I=.013943

37、 =.00125*F =-00995 *3F =-.005 Z-BUFFER634.173701.175703.17S 715.10 743.19 750.193757,19520钢空冷40s时1/4截面的温度场图4.940s时温度场（单位：。C）4.6.2空冷过程某些特定位置随时间变化曲线图执行错误!未找到引用源。，读取加载求解后工件在某些特定位置的冷却曲 线。下图分别为工件的圆柱体中心点、上底面圆心点、上底面圆周一点随时间变 化的曲线图：如图4.11是空冷时工件上底面圆周一点（A点）的冷却曲线，图4.12是 B点的冷却曲线，图4.13是C点的冷却曲线，图4.14是A、B、C三点的冷却 曲线

38、，如4.10所示ANSYSI算当汗TEMP 03*DTST=.75Z-BUFFER图4.10空冷时工件上底面圆周一点（A点）的冷却曲线图4.11空冷时工件上底面圆周一点（B点）的冷却曲线图4.12 空冷时工件上底面圆周一点（C点）的冷却曲线HMM费些苣0ieo420S40 a300TTME=.s=.5图4.13 空冷时A点、B点、C点随时间的冷却曲线4.7模拟结果分析在空冷过程中，零件在不同时刻的温度场如上图所示。可以看出，在空气中 随着时间的延长，零件温度也迅速降低，分别对A、B、C三结点处进行研究， 观察其温度随时间变化情况，发现A、B、C点随时间变化的差别幅度较小。随着逐渐的冷却，零件温

39、度迅速降低，而零件各部分温度下降速率不同，零 件上下底面边缘及表面区域温度低于零件中间区域，即边角处温度下降最快，中 心处温度变化相对缓慢如图4.4和4.5所示，可以看出角边的最低温度为798C， 中心的最高温度为867C，由图4.6和4.7可知，角边最低温度为694C，中心最 高温度为757C，由图4.8和4.10可知，角边最低温度为552C，中心最高温度 为602C，由此可知，中心的冷却温度比周边的冷却温度慢。由图4.4、4.6、4.8 可知，随着冷却的时间越长，温度也随之越来越低。由图4.10、4.11、4.12可知，在空冷刚开始的时候，温度迅速下降，由图4.13 可看出，其降温过程中受

40、零件其他部分的热影响大，在空冷过程中温度下降最慢。 因为A点处于零件的中心，所以比其余的稍微慢点。5总结本文主要是利用ANSYS有限元软件对20钢正火过程温度场分析进行研 究，首先通过自己制定的热加工工艺，然后对20钢各个参数进行查阅，统一单 位，然后进行软件模拟，ANSYS这个软件我们从当初的不知到现在的运用，让 我们又熟悉了一门知识，通过所做出的结果，可以清晰的看到结果。通过本次的模拟，很明显的能看出冷却的时间越长，温度越低，中心点的 温度比周边的冷却速度慢，零件的上下底面边缘及表面区域温度低于零件中间区 域。5.1展望本文对20钢热处理正火过程温度场分析进行了初步的研究，此方法省时节 能

41、，由于时间仓促，仍然存在不少问题有待于进一步的研究和探讨，主要包括以 下几个方面：1）虽然ANSYS模拟比实际操作方便了许多，但是有时候具体数据还是没 有时间操作的全面。2）模拟的时候有些方面学的还不是特别的深入，部分方面研究的还不是太 清楚。3）而且可以试着研究其余加热和冷却方式，得出那个方式是最为合适的， 用其结果来得出结论。参考文献1 杜高格.20钢热处理技术及其应用J.电子工艺简讯，1989.2 文九巴.机械工程材料M.北京.机械工业出版社，2009.73 束德林.金属力学性能M.北京.机械工业出版社，1987:130-131.4 李晋梅，雷毅，许俊成.20钢中厚板焊接过程温度场的数值

42、模拟J.石油化工 设备，2003，36（3）:26-28.5 傅敏士，肖亚航,刘凤玲.正火处理对20钢内部裂纹愈合的影响J.2005年.6 董洁,莫春立，单庆成，王琛元.20钢管道对接埋弧自动焊接温度场模拟J. 沈阳理工大学学报，2007，26（2）:38-41.7 李刚，韩文月，任晶鑫，金红梅.20钢渗碳过程中温度场及应力场的数值模拟J.机械工程材料，2013, 37 (4) :83-86.8 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):82-84.9 段晓杰，王宝珠，潘洪刚.基于虚拟仪器技术的热处理过程监控系统的设计J. 金属热处理，2

43、005,30 (曾 1)： 175-178.10 刘庄，吴肇基，吴景之，等.热处理过程的数值模拟M.北京：科学出版社， 1996.11 温树德.真空炉压力气淬的计算机模拟J.国外金属热处理，1999,20 (2): 39-42.12 刘天佑.金属学与热处理M.冶金工业出版社，2009.03.13 任玉新.计算流体动力学M.北京：清华大学出版社，2006.14 TELEAGAL,SEAIDM. Simplified radiation models for low-Mach number reactive flowsJ. Applied Mathematical Modelling,2008,3

44、2(6):971-99115 TELEAGAL,SEAIDM. GASSERI,etal. Radiation models for thermal flows at low Mach number J.Journal of Computation Physics,2006,215(2):506-525.16 Won-Jun Jang,Jong Keon Yoon,Howon Kim,Se-Jong Kahng.Electronic Structure of Graphene on Ru(0001) Studied by Scanning Tunneling SpectroscopyA.2010.17 Hongbin Geng.Shiyu He Dezhuang Yang. Numerical Simulation of Thermal Stress In