【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高塑形、便于切削加工、細(xì)化晶粒、改善偏析、消除內(nèi)應(yīng)力等。跟據(jù)加熱溫度，可以把退火分為完全退火、不完全退火、球化退火、擴(kuò)散退火等。 2. 正火 正火是將鋼加熱到 3CA 或 CCMA 以上適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后，然后空冷得到珠光體的熱處理工藝。正火主要是為提高低碳鋼的硬度并改善其切削加工性能、消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀滲碳 體為球化退火做組織準(zhǔn)備。 3. 淬火 淬火是將工件加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后快速冷卻獲得馬氏體組織的 熱處理工藝。淬火主要是為了獲得高硬度、高強(qiáng)度的馬氏體組織。淬火中常用的淬火介質(zhì)有水、油、鹽水等，其中油的冷卻特性較好。 4. 回火 回火是把淬火后的鋼，加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間后然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹂梢垣@得工件所需的力學(xué)性能、消除淬火應(yīng)力、穩(wěn)定工件的尺寸和組織。按照回火溫度，回火分為低溫回火、中溫回火、高溫回火。 5． 表面熱處理 表面熱處理是對(duì)金屬材料表面通過(guò)加熱和冷卻的方式改變其力學(xué)性能的熱處理工藝。主要分為表面淬火和化學(xué)熱處理兩大類(lèi)。表面淬火是僅對(duì)鋼的表面快速加熱、冷卻，把表層淬成馬氏體，心部組織不變的熱處理工藝。表面淬火可以使工件表面具有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，然而心部仍保持一定強(qiáng)度、足夠的塑性和韌性。 碳素工具鋼的熱處理 碳素工具鋼的熱處理分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。碳素工具鋼的預(yù)備熱處理一太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 般采用球化退火 (T7 鋼可以采用完全退火 )，退火后組織為鐵素體基體 +細(xì)小均勻的粒狀滲碳體。最終熱處理為淬火 +低溫回火，其組織為回火馬氏體 +粒狀滲碳體 +少量殘余奧氏體。碳素工具鋼經(jīng)過(guò)熱處理后，耐磨性和加工性都比較好，價(jià)格又低廉，生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。 熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 數(shù)值模擬技術(shù)的概述 數(shù)值模擬（計(jì)算機(jī)模擬）是借助計(jì)算機(jī)來(lái)研究復(fù)雜現(xiàn)象的一種近似求解的數(shù)學(xué)方法，通俗的來(lái)說(shuō)就是用計(jì)算機(jī)來(lái)做實(shí)驗(yàn)。數(shù)值模擬技術(shù)可以對(duì)熱處理工藝實(shí)現(xiàn)安全評(píng)估、預(yù)測(cè)熱處理工藝是否滿(mǎn)足所要的微觀組織、晶粒大小的要求、有效反應(yīng)熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)及組織場(chǎng)的變化規(guī)律。目前，由于等各種學(xué)科不斷融合與發(fā)展，使數(shù)值模擬技術(shù)在熱處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 數(shù)值模擬主要有建立描述問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型、查找解決問(wèn)題的高準(zhǔn)確度和高效率的計(jì)算方法、編寫(xiě)程序進(jìn)行計(jì)算、對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析等幾個(gè)步驟。 數(shù)值模擬經(jīng)常使用的方法有有限元差分法、有 限元法、邊界元法等。過(guò)去大都采用有限元差分法，但是它只是單純的考慮了節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，在處理復(fù)雜的問(wèn)題時(shí)有很大的局限性。目前國(guó)內(nèi)外采用有限元法，因?yàn)樗€考慮了單元內(nèi)的變化及單元間的相互作用，這樣會(huì)使數(shù)值模擬的結(jié)果更精確。 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 早 期人們采用人工測(cè)量、經(jīng)驗(yàn)判斷或兩者相結(jié)合來(lái)研究熱處理過(guò)程的溫度場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的日益發(fā)展，人們開(kāi)始采用數(shù)值模擬來(lái)對(duì)熱處理過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，并取得了很大的進(jìn)展。 國(guó)外在溫度場(chǎng)計(jì)算方面的研究起步較早， 19 世紀(jì) 70 年代左右己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算；隨后，在淬火溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中開(kāi)始考慮相變潛熱釋放、熱物理性能參數(shù)隨溫度變化等非線(xiàn)性因素；進(jìn)入 90 年代及 21 世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外企業(yè)和學(xué)者先后開(kāi)發(fā)了 HEARTS、 SYSWELD、 DEFORM、 DANTE、 Thermal Prophet、 ABAQUS、 ANSYS、 MARC 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 等有限元軟件。這些軟件廣泛應(yīng)用于熱處理的正火、退火、淬火、回火、滲碳滲氮、感應(yīng)加熱及金屬再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等現(xiàn)象中的數(shù)值模擬。 我國(guó)開(kāi)展熱處理數(shù)值模擬工作比較晚，首先是一些學(xué)者和留學(xué)生開(kāi)始了這方面的研究；進(jìn)入 80 年代后，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，公司開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)展研究工作；殷雯等通過(guò)求解碳鋼零件淬火過(guò)程溫度場(chǎng)的分布，得出了一種不需要由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平面及軸對(duì)稱(chēng)零件淬火冷卻時(shí)溫度分布的確定方法；朱圓圓等用 ANSYS 對(duì) 45 鋼淬火過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出了淬火時(shí) 45 鋼應(yīng)選用的合理淬火介質(zhì)以及淬火的時(shí)間控制。 目前數(shù)值模擬不僅能對(duì)熱處理溫度場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、逼真的模擬，它還可以預(yù)測(cè)工藝結(jié)果是否符合組織、性能要求，進(jìn)行安全評(píng)估等。利用數(shù)值模擬不僅可以對(duì)現(xiàn)行工藝進(jìn)行校核，而且可以?xún)?yōu)化工藝方案和參數(shù)，從而使熱處理工藝的制定建立在更可靠的科學(xué)基礎(chǔ) 上。通過(guò)各國(guó)學(xué)者的不斷努力熱處理溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬將不斷完善并走上實(shí)用化。 ANSYS 熱分析簡(jiǎn)介 有限元法作為目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法，由于其特有的計(jì)算優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，并因此產(chǎn)生了很多通用的有限元商業(yè)軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種有限元軟件得到了廣泛的應(yīng)用。 ANSYS 軟件以它的多場(chǎng)耦合分析功能在熱分析中得到了廣泛的應(yīng)用。 ANSYS 軟件具備處理熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、和熱輻射等熱傳遞方式的能力。 1） ANSYS 熱分析分符號(hào)與單位 熱分析中基本符號(hào)及國(guó)際單位見(jiàn)表 所示。 表 熱分析基礎(chǔ)單位 項(xiàng)目 國(guó)際單位 ANSYS代號(hào) 長(zhǎng)度 m 時(shí)間 s 質(zhì)量 Kg 溫度 ℃ 力 N 能量（熱量） J 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 功率（熱流率） W 熱流密度 W/m178。 生熱速率 W/m179。 導(dǎo)熱系數(shù) W/m℃ KXX 對(duì)流系數(shù) W/m178?！? HF 密度 Kg/m179。 DENS 比熱 J/Kg℃ C 焓 J/m179。 ENTH 2 ） ANSYS 熱分析分類(lèi) 穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化 瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化 3 ） 熱傳遞的方式 根據(jù)熱量傳遞的原理 不同，有三種熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。 4 ） 熱分析的功能 ANSYS 熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。 5 ） 熱分析操作的流程 ① 創(chuàng)建有限元模型：包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格生成單元節(jié)點(diǎn)。 ② 施加載荷并進(jìn)行求解：包括施加載荷、邊界條件和進(jìn)行求解計(jì)算。 ③ 后處理查看分析結(jié)果：對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析檢驗(yàn)。 本文研究的內(nèi)容及意義 本文以 T12 鋼為代表的碳素工具鋼為研究對(duì)象，利用有限元軟件 ANSYS，模擬 熱處理過(guò)程中 T12 鋼的溫度場(chǎng)。在熱處理過(guò)程中溫度是基本的參數(shù)，它對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸有著重要的影響，因此在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中要 充分考慮溫度這個(gè)因素?？梢?jiàn)對(duì)熱處理過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬具有 重要的工程實(shí)際意義。本文主要進(jìn)行以下幾方面工作： 1) 根據(jù)傳熱學(xué) 和能量守恒定律等 基本原理 ,建立了 軸對(duì)稱(chēng) 溫度場(chǎng)的微分方程 ，并對(duì)初始條件和邊界太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 條件進(jìn)行了分析。 2) 討論了瞬 態(tài)溫度場(chǎng)非線(xiàn)性的求解和相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響，并討論熱處理過(guò)程中工件表面的綜合換熱系數(shù)的選擇 。 3) 建立 T12 鋼二維溫度場(chǎng)有限元模型，并在模型中考慮了材料非線(xiàn)性的影響。 4) 對(duì)制定的 T12 鋼熱處理工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并 分析熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)分布對(duì) T12 鋼組織和力學(xué)性能的影響。 本章小結(jié) 本章對(duì)研究本課題的意義、碳素工具鋼、熱處理和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹本文使用的熱處理軟件 ANSYS 熱分析模塊，并確定本文的研究?jī)?nèi)容。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) QyTkyxTkxtTc ????????????? )()(?第二章 熱處理溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的基本理論 溫度是涉及所有熱處理過(guò)程的基本參數(shù)，它的分布影響零件的應(yīng)力場(chǎng)和組織場(chǎng)，它是影響熱處理數(shù)值模擬計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，因此溫度場(chǎng)的模擬是熱處理過(guò)程數(shù)值模擬的最主要的內(nèi)容。為了保證溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在溫度場(chǎng)計(jì)算模型中必須考慮初始條件、邊界條件、材料熱物性參數(shù)非線(xiàn)性等因素對(duì)溫度場(chǎng)模擬的影響。 溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)是在不同時(shí)刻物體內(nèi)部各點(diǎn)溫度分布的總稱(chēng)。溫度場(chǎng)分為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間的變化而改變。非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而改變， 它是坐標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)。 溫度場(chǎng)控制方程 本文對(duì)熱處理過(guò)程溫度場(chǎng)的傳熱理論及模型進(jìn)行了研究。在熱處理加熱或冷卻過(guò)程中，工件內(nèi)部的熱量是以熱傳導(dǎo)方式傳遞的，工件表面主要是通過(guò)介質(zhì)與鋼件