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1、-T12钢热处理过程温度场的模拟毕业设计-第 16 页毕业设计T12钢热处理过程温度场的模拟112018214黄增鑫机械工程系学生姓名： 学号： 材料成型及控制工程系 部： 专 业： 指导教师： 年 月（小二号居中，大写）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： 黄增鑫 指导教师（含职称）： 娄菊红（副教授）1课题意义及目标 学生应通过本次毕
2、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
3、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
4、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： 赵跃文 2015 年 1 月 16 日T12钢热处理过程温度场的数值模拟摘 要：随着现代科技的进步，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的内在性能和指标除了材料成分外，更与其热处理工艺密不可分。而温度是涉及所有热处理过程的参数，它的变化对工件性能影响很大，因此对热处理过程温度场的研究具有很重要的意义。本文以传热学为基础，对T12钢热处理过程温度场进行了理论推导，并利用ANSYS有限元软件对热处理过程的温度分布进行了模拟
5、，得到了热处理温度场的分布图和某些节点温度随时间的变化曲线。本文还分析了热物性参数对模拟结果的影响，得到了具有工程借鉴意义的结论，为合理选择加热参数提供了理论依据。本文的研究成果对热处理过程温度场的研究提供了重要的理论依据。关键词：T12钢，ANSYS，温度场模拟，Research on Numerical Simulation of Temperature Field on Heat Treatment of T12 SteelAbstract：There are increasingly demanding on the performance and reliability of the
6、 mechanical parts with the progress of modern science and technology. The inner mechanical properties and mechanical indicators of material not only in addition to the material composition but also to the process of heat treatment. Temperature is involved in all the parameters of heat treatment proc
7、ess. The change of temperature influenced the performance of material. It is important to the study of temperature field on heat treatment. This article is based on theories of thermodynamics and phase transformation, it constructed the mathematic analysis models of temperature field. Calculations a
8、re carried out to simulate the heat treatment process of T12 at by using large heat treatment software ANSYS. The transient temperature distribution and the temperature change curve over time of some node is obtained .The influence of the technical parameters on the induction heating simulation resu
9、lt is analyzed, and some referential conclusions are drawled. On the basis of these conclusions, induction heating parameter will be chosen correctly in the design of the induction heating system. In this paper, the research on heat treatment process of the temperature field of the research provides
10、 an important theoretical basis.Keywords: T12steel; ANSYS; Temperature field simulation; Numerical simulation technology; Heat treatment目 录1 绪论21.1 碳素工具钢及热处理工艺研究进展21.1.1 碳素工具钢1.1.2 热处理简介1.1.3 碳素工具钢的热处理1.2 数值模拟技术的概述和ANSYS热分析简介21.2.1 数值模拟技术的概述1.2.2 ANSYS热分析简介1.3 本文研究的内容及意义本章小结2 温度场数值模拟的基本理论（正文第2章）42.1
11、 温度场控制方程2.2 初始条件2.3 边界条件2.4 热物性参数的选择2.5 瞬态非线性温度场的求解本章小结3 T12钢热处理过程的建模计算3.1 材料及工艺3.2 几何模型的建立及网格的划分3.3 初始条件和边界条件的设定3.4 载荷的施加和求解本章小结4 T12钢热处理过程温度场的数值模拟结果4.1 加热过程温度场的分析4.2 冷却过程温度场的分析本章小结5 结论参考文献10符号说明11致 谢12附 录13第一章 绪论1.1 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
12、大的金属材料。但随着科学技术的发展，对碳素工具钢零件的性能和可靠性要求越来越高，零件的内在性能和可靠性除了与材料成分特性外，更与其热处理工艺密不可分。合理的热处理工艺可以有效的优化组织分布，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，因此热处理在现代工业中具有重要的地位。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组织结构及热处理后工件内部的残余应力。因此对热处理过程温度场的研究具有重要的意义。在理论上对温度场的解析是很困难的，甚至于不可能。采用物理模拟方法对温度场模拟方法进行研究也有很多的局限性。因此借助先进的计算机技术，应
13、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。目前用作数值模拟的有限元软件主要有 ABAQUSANSYSMARC 、COSMAP等，大多数的模拟结果都得到了实验测试数据的支持，取得了令人满意的效果。在这些有限元软件中，ANSYS软件不仅可以将热处理过程动态、逼真的进行模拟，还可以清晰直观的显示热处理过程任意时刻、任意节点的温度场分布，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 碳素工具钢及其热处理工艺研究进展碳素工具钢由于其低廉的价格、简单的成型工艺、较好的力学性能和工艺性能，使其成为工业上广泛应用的金属材料。碳素工具钢也用某些不足，如淬透性差、回火抗力
14、较差。但我们可以通过热处理来改善这些，使碳素工具钢的应用更加广泛。1.2.1 碳素工具钢碳素工具钢是用来制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的碳素钢。它具有较高的硬度、较高的耐磨性、适当的韧性和高温下较好的红硬性。碳素工具钢一般用“T+数字”来表示，其后的数字表示含碳的千分之几。碳素工具钢的含碳量为0.651.35，随着含碳量的提高，钢的耐磨性提高，但韧性会有所降低。碳素工具钢的成分及应用见表1-1。1-1 常用碳素工具钢牌号、成分和用途钢号化学成分（）应用举例CMnSiSPT80.750.840.200.400.150.350.0300.035制造承受震动与冲击载荷、要求足够韧性和较高硬度的各
15、种工具，如简单模子、冲头、剪切金属用剪刀、木工工具等T100.950.1040.150.350.150.350.0300.035制造不受突然震动、在刃口上有少量韧性的工具，如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯锯条、卡尺等T121.151.240.150.350.150.350.0300.035制造不受震动的、要求较高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等1.2.2 热处理简介金属材料的特性就是其性能的多变性，即一种材料具有不同的性能。怎么样使一种金属具有这种性能，我们可以通过热处理来实现金属的这一特性。 热处理是采用适当的方法对固态金属进行加热、保温、冷却来改变材料的内部组织和表面成分，从而提高并改
16、善其性能的一种重要的金属加工工艺。热处理的每个阶段对钢性能影响都很大。钢的加热过程影响奥氏体组织的化学成分、晶粒大小、均匀程度；保温过程会影响奥氏体晶粒的大小、奥氏体均匀化；冷却过程决定着钢固态转变后的组织和性能。根据钢加热、冷却方式和获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺可以分为普通热处理和化学热处理。普通热处理就是我们平常所说的“四把火”，即退火、正火、淬火、回火。化学热处理就是渗碳、滲氮等。现在详细介绍以下几种热处理。1. 退火退火是将钢加热到一定的温度，保温一段时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的是降低工件的硬度、提高塑形、便于切削加工、细化晶粒、改善偏析、消除内应
17、力等。跟据加热温度，可以把退火分为完全退火、不完全退火、球化退火、扩散退火等。2. 正火 正火是将钢加热到或以上适当温度，保温一定时间后，然后空冷得到珠光体的热处理工艺。正火主要是为提高低碳钢的硬度并改善其切削加工性能、消除过共析钢的网状渗碳体为球化退火做组织准备。3. 淬火淬火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。淬火主要是为了获得高硬度、高强度的马氏体组织。淬火中常用的淬火介质有水、油、盐水等，其中油的冷却特性较好。4. 回火回火是把淬火后的钢，加热到一定温度，保温一段时间后然后冷却到室温的热处理工艺。回火可以获得工件所需的力学性能、消除淬火应力、稳
18、定工件的尺寸和组织。按照回火温度，回火分为低温回火、中温回火、高温回火。5 表面热处理表面热处理是对金属材料表面通过加热和冷却的方式改变其力学性能的热处理工艺。主要分为表面淬火和化学热处理两大类。表面淬火是仅对钢的表面快速加热、冷却，把表层淬成马氏体，心部组织不变的热处理工艺。表面淬火可以使工件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，然而心部仍保持一定强度、足够的塑性和韧性。1.2.3 碳素工具钢的热处理碳素工具钢的热处理分为预备热处理和最终热处理。碳素工具钢的预备热处理一般采用球化退火(T7钢可以采用完全退火)，退火后组织为铁素体基体+细小均匀的粒状渗碳体。最终热处理为淬火+低温回火，其组织为回火马
19、氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。碳素工具钢经过热处理后，耐磨性和加工性都比较好，价格又低廉，生产上得到了广泛的应用。1.3 热处理过程温度场的数值模拟1.3.1 数值模拟技术的概述数值模拟（计算机模拟）是借助计算机来研究复杂现象的一种近似求解的数学方法，通俗的来说就是用计算机来做实验。数值模拟技术可以对热处理工艺实现安全评估、预测热处理工艺是否满足所要的微观组织、晶粒大小的要求、有效反应热处理过程温度场及组织场的变化规律。目前，由于等各种学科不断融合与发展，使数值模拟技术在热处理领域得到广泛应用。 数值模拟主要有建立描述问题的数学模型、查找解决问题的高准确度和高效率的计算方法、编写程序进行计
20、算、对得到的数据进行处理与分析等几个步骤。数值模拟经常使用的方法有有限元差分法、有限元法、边界元法等。过去大都采用有限元差分法，但是它只是单纯的考虑了节点之间的关系，在处理复杂的问题时有很大的局限性。目前国内外采用有限元法，因为它还考虑了单元内的变化及单元间的相互作用，这样会使数值模拟的结果更精确。1.3.2 温度场数值模拟技术的国内外研究进展早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
21、的数值计算；随后，在淬火温度场数值计算中开始考虑相变潜热释放、热物理性能参数随温度变化等非线性因素；进入90年代及21世纪以来，国外企业和学者先后开发了HEARTS、SYSWELD、DEFORM、DANTE、Thermal Prophet、ABAQUS、ANSYS、MARC 等有限元软件。这些软件广泛应用于热处理的正火、退火、淬火、回火、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；进入80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
22、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；朱圆圆等用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。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。1.4 ANSYS热分析简介 有限元法作为目前应用最广泛的数值模拟方法，由于其特有的计算优势得到了广泛的应用，并因此产生了很多通用的有限元
23、商业软件。随着计算机技术的发展，各种有限元软件得到了广泛的应用。ANSYS软件以它的多场耦合分析功能在热分析中得到了广泛的应用。ANSYS软件具备处理热传导、热对流、和热辐射等热传递方式的能力。1） ANSYS热分析分符号与单位热分析中基本符号及国际单位见表2.1所示。表2.1 热分析基础单位项目国际单位ANSYS代号长度m时间s质量Kg温度力N能量（热量）J功率（热流率）W热流密度W/m生热速率W/m导热系数W/m-KXX对流系数W/m-HF密度Kg/mDENS比热J/Kg-C焓J/mENTH2 ） ANSYS热分析分类稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化3
24、 ） 热传递的方式 根据热量传递的原理不同，有三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射。4 ） 热分析的功能 ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度并导出其他热物理参数。5 ）热分析操作的流程 创建有限元模型：包括创建或读入几何模型、定义材料属性和划分网格生成单元节点。 施加载荷并进行求解：包括施加载荷、边界条件和进行求解计算。 后处理查看分析结果：对结果进行分析检验。1.5 本文研究的内容及意义本文以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
25、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) 根据传热学和能量守恒定律等基本原理,建立了轴对称温度场的微分方程，并对初始条件和边界条件进行了分析。2) 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。3) 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。4) 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。本章小结 本章对研究本课题的意义、碳素工具钢、热处理和数值模拟技
26、术进行了综述，详细介绍本文使用的热处理软件 ANSYS热分析模块，并确定本文的研究内容。第二章 热处理温度场数值模拟的基本理论温度是涉及所有热处理过程的基本参数，它的分布影响零件的应力场和组织场，它是影响热处理数值模拟计算准确性的关键，因此温度场的模拟是热处理过程数值模拟的最主要的内容。为了保证温度场数值模拟的准确性，在温度场计算模型中必须考虑初始条件、边界条件、材料热物性参数非线性等因素对温度场模拟的影响。2.1 温度场温度场是在不同时刻物体内部各点温度分布的总称。温度场分为稳态温度场与非稳态温度场。稳态温度场各点的温度不随时间的变化而改变。非稳态温度场内各点的温度随时间的变化而改变，它是坐
27、标与时间的函数。2.2 温度场控制方程 本文对热处理过程温度场的传热理论及模型进行了研究。在热处理加热或冷却过程中，工件内部的热量是以热传导方式传递的，工件表面主要是通过介质与钢件表面的热对流传递热量。虽然不同的学者建立的数学模型和处理方法不一样，但其数学物理基础是一致的。考虑到工件为圆柱体，为了方便简化，采用圆柱体的半个截面来进行研究。本文采用的轴对称传热温度场控制微分方程为式中，为密度 为比热容 为导热系数 为相变潜热 为传热时间这些参数中、都随温度变化而变化。2.3 初始条件上面轴对称传热温度场微分控制方程是泛定方程，为了获得定解，需要给出微分方程的边界条件及初值条件。 初始条件是指初始
28、温度场，是计算的出发点。在本文的热处理加热或冷却过程中定为均匀温度场，即某一确定温度。2.4 边界条件热处理的边界条件是工件在加热或冷却过程中与外界环境之间复杂的换热情况，想要得到温度场控制方程的定解，不仅要知道初始条件还需要给出求解过程的边界条件。在本文热处理加热和冷却过程中，在钢件表面和介质是通过热对流来传递热量，它属于第三类边界条件，其公式如下：式中 ， 表示工件表面温度表示与工件表面接触的流体温度表示对流换热系数2.5 热物性参数的选择 热物性参数主要是指导热系数 、密度 和定压比热。一般来说热处理数值模拟用到的热物性参数不是常数，它们随组织、温度变化而变化的。在热处理中各节点一般不是
29、单一的组织，这种情况下就需要根据不同温度、不同组织的含量计算此节点某一时刻的热物性参数。但对于常见的材料，我们可以查阅有关专著手册获得。本文通过查阅相关论文和实用热物性质手册获得的。2.6 相变潜热的处理 物质在发生相变时会有热量的吸收或释放，我们把这热量称为相变潜热。根据经验，钢在加热或冷却过程中会伴随相变潜热的释放或吸收，因此会对工件的温度场分布产生影响。研究人员一般采用等价比热容法、温度回升法、热焓法来解决这一问题。在本文中由于相变潜热的释放对温度场的影响很小，所以忽略不考虑。2.7 瞬态非线性温度场的求解 在对零件加热或冷却过程中，虽然初始温度均匀，但加热或冷去开始后，零件内部温度分布
30、差异比较大，除此外热传导系数、换热系数、密度等热物性参数随时间的变化而改变，因而在模拟过程中形成数据震荡。对于瞬态问题的温度场，我们一般采用局部网格加密化法来解决这一问题。局部网格细化，是针对零件内部温度分布差异大的情况对于加热火或冷却过程，零件边界在极短时间内温度急剧变化，材料的热物性参数变化大，对于这些区域为了保证计算结果的正确性及避免产生数值振荡，应该对这些区域进行局部网格细化。本章小结本章以传热学和有限元理论为基础，描述了二维瞬态温度场的有限元方程的建立过程及非线性温度场的求解过程，同时也介绍了初始条件、边界条件、相变潜热、热物性参数的选择，这些是利用ANSYS软件模拟温度场的理论基础
31、。第二章 T12钢的材料参数及其热处理工艺3.1 T12钢的物性参数 文中研究所采用的T12钢的化学成分、密度、相变过程中的临界转变点以及不同温度下的热物性参数等数据均来源于相关文献资料。3.1.1 材料成分本文选用T12钢圆柱体为热处理试样，所选试样成分如下表3.1所示： 表3.1 T12钢的化学成分 CSiMnSP1.151.240.350.400.0300.0353.1.2 临界转变点 文中研究所采用 T12 钢临界转变温度如表 3-2所示。 表3.2 T12钢的临界温度 7308207002003.1.3 T12钢的热物性参数 文中研究所采用 T12 钢的热物性参数如表 3-3所示 表
32、3.3 T12钢的热物性参数温度()密度（）比热容（）导热系数（）207847-40.323007829548.441.165007694728.5-6007655-38.227007612649.0-9007533636.434.023.2 几何模型的建立及网格划分T12钢的加热或冷却过程属于瞬态热分析，选用PLANE55二维实体单元进行有限元分析。根据模型的对称性原理，对于直径为400mm、高度为300mm的钢圆柱模拟时，选取其截面一半为有限元模型。在对零件加热或冷却过程中，虽然初始温度均匀，但加热或冷去开始后，零件内部温度分布差异比较大，除此外热传导系数、换热系数、密度等热物性参数随时间
33、的变化而改变，因而在模拟过程中易形成数据震荡。对于这一般采用局部网格加密化法来解决这一问题。本文在划分网格时在圆柱外表面进行局部加密，提高模拟的准确性。3.3 初始条件 本文依据制定的T12钢的热处理工艺来选择。3.4 边界条件T12钢热处理过程中的边界条件为第三类边界条件，即要确定T12钢在加热、冷却、各阶段的环境温度和与介质的换热系数。本文参阅相关文献获得这些数据。3.5 T12钢的热处理工艺 根据相关文献了解到，在755保温10min后以690等温35min的热处理工艺为T12钢较优的球化退火工艺，然后在进行760淬火+150的低温回火，其工艺曲线图如下。T/755 760690油10m
34、in35min空10min淬150冷空 60min冷t/s 球化退火 淬火 低温回火 （1）球化退火:先加热到755，保温10min后以690等温，最后空冷到室温。根据查阅相关文献可知，钢加热到750左右时，钢中的原始珠光体组织刚好消失，即将进入碳化物的溶解阶段，钢中的剩余碳化物较多，由此可见在755时有利于碳化物的球化；在690时，此温度低于T12钢的，为合理的等温温度。（2）淬火+低温回火：加热到760，保温10min后进行油淬，然后加热到150，保温60min后空冷。这是为获得回火奥氏体+碳化物组织，提高T12钢的硬度和耐磨性。本章小结 本章详细介绍了论文研究所采用的T12钢的热物性参数
35、；建立了2030的T12钢的二维几何模型，给出了热处理中初始条件和边界条件的选择依据；并给出了T12钢的热处理工艺，为下一步的数值模拟做好准备。第四章 热处理过程温度场的模拟结果与分析4.1 球化退火过程温度场的分析图4.1 1200s温度云图 图4.2 600s温度云图图4.3 60s温度云图 图4.4 某些节点温度随时间变化曲线图 在球化退火数值模拟中，本文只研究其加热过程。球化退火的冷却过程与回火冷却过程只是初始温度不一样，所以本文在回火过程研究。为得到微分方程的定解必须添加初始条件和边界条件，T12钢的初始温度为20，T12钢热处理过程中的边界条件为第三类边界条件，在T12钢加热过程中
36、其表面换热系数为。图 4.1为 T12钢在1200s时加热的温度分布云图，图 4.2为 T12钢在600s时加热的温度分布云图，图 4.3为 T12钢在60s时加热的温度分布云图，图 4.4为 T12钢工件1、2、86节点温度随时间变化曲线图。从前三幅图可以看出，温度场的计算机模拟可以直观的表达出在热处理加热过程中，在任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。虽然由于相变潜热的近似处理、对流换热系数的近似和数值计算自身存在的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但是模拟结果所反应的温度场变化规律是正确的。由图可以看出，在60s时工件表面温度迅速上升，但心部温度基本没有变化。在600s时，
37、工件心部温度有了明显的上升。随时间的延长心部温度不断上升并不断接近表面温度。在任意时刻工件心部的温度不高于表面温度，这完全符合实际生产。图4.4可以看出各点温度都随时间的延长升高，只是速率不同。其中86节点是工件心部升温最慢，1节点是工件的下表面中心点升温次之，2节点是下表面的边缘升温最快。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只要选取其节点编号就可以显示其温度场分布等值线图。4.2 淬火过程温度分析在淬火的数值模拟过程中，本文只研究其淬冷过程。将球化退火后的T12钢工件冷却到室温后，送到760的炉子中加热，保温一段时间确保工件心部和表面温度一样，然后 置于恒温为20的油池内淬火，其换热系数为2
38、60。图4.5 60秒温度云图 图4. 6 600秒温度云图 图4.7 1200秒温度云图 图4.8 某些节点温度随时间变化曲线图图 4.5、4.6、4.7 为T12钢在淬冷60s、600s、1200s温度分布云图，图4.8为T12钢工件1、2、86节点温度随时间变化曲线图。从4.5、4.6、4.7可以看出，温度场的计算机模拟可以直观的表达出在淬火冷却过程中，在任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。虽然由于相变潜热的近似处理、对流换热系数的近似和数值计算自身存在的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但是模拟结果所反应的温度场变化规律是正确的。由图4.5可以看出在淬火冷却60s时表面
39、温度迅速下降，心部温度仍然为高温。由前三幅图可以看出随时间的延长工件温度迅速下降，在任意时刻零件心部温度最高。由此可以知最后得到的零件表面淬透性最大，此时钢件表面的硬度耐磨性较高，心部的硬度较低，有好韧性。图4.8可以看出各点温度都随时间的延长升高，只是速率不同。其中86节点是工件心部升温最慢，1节点是工件的下表面中心点升温次之，2节点是下表面的边缘升温最快。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只要选取其节点编号就可以显示其温度场分布等值线图4.3 回火过程温度场的分析在回火的数值模拟过程中，本文只研究其空冷冷过程。将淬火后的T12钢工件冷却到室温后，送到150的炉子中加热，保温一段时间确保工
40、件心部和表面温度一样，然后置于室温下空冷，其换热系数为180。图4.9 60秒温度云图 图4.10 600秒温度云图图4.11 1200秒温度云图 图4.12 某些节点温度随时间变化曲线图图 4.9为 T12钢在60s时加热的温度分布云图，图 4.10为 T12钢在600s时加热的温度分布云图，图 4.11为 T12钢在1200s时加热的温度分布云图，图 4.4为 T12钢工件1、2、86节点温度随时间变化曲线图。从前三幅图可以看出，温度场的计算机模拟可以直观的表达出在热处理加热过程中，在任意时间任意位置工件内部的温度随时间的变化情况。虽然由于相变潜热的近似处理、对流换热系数的近似和数值计算自
41、身存在的误差，使温度场模拟结果存在一定的误差，但是模拟结果所反应的温度场变化规律是正确的。由图可以看出，在60s时工件表面温度迅速下降，但心部温度基本没有变化。在600s时，工件心部温度有了明显的下降。在任意时刻工件心部的温度高于表面温度，这完全符合实际生产。图4.12可以看出各点温度都随时间的延长升高，只是速率不同。其中86节点是工件心部降温最慢，1节点是工件的下表面中心点升温次之，2节点是下表面的边缘降温最快。如果想得到其他节点温度随时间的变化，只要选取其节点编号就可以显示其温度场分布等值线图。结 论本文应用大型热处理软件 ANSYS软件，对T12钢分别在不同的热处理工艺下进行了数值模拟。
42、得到以下结论： （1）温度场模拟时，应用流场项的三维各项同性体中瞬态温度场指数坐标系的偏微分方程计算温度场，同时设定了实际过程中的初始条件及边界条件，综合考虑了边界换热系数、相变潜热以及热物性参数等非线性因素的影响，大大减小了通用有限元软件处理淬火过程非线性问题时只能以常数代替所引起的模拟误差；采用等效比热容法处理相变潜热，提高了温度场的计算精度。本文运用已发表文献数据对温度场模拟的结果进行了验证，吻合较好本文采用数值模拟与现场生产相结合的方法研究了高线在热水浴冷却过程中温度场的变化。本文根据传热学的基础理论及高速线材热水浴冷却的特点，推导出高速线材在热水浴冷却过程中的一维瞬态温度场数学模型；
43、同时利用有限元分析软件ANSYS 对整个热水浴冷却过程的温度场进行了计算机模拟。并得出以下结论第六章 全文总结 本文在传热学基本原理的基础上，以有限元法为理论基础，建立了适合于有限元数值模拟的计算模型，利用 ANSYS 软件对T12钢热处理过程进行了模拟计算，讨论了对工件温度场形成和分布的影响规律。通过近半年来对本课题的研究工作，主要在以下几个方面做出了阶段性成果： 1.对感应加热有限元计算理论进行了研究工作，从电磁学和传热学的角度出发，得出了解决感应加热磁、热耦合计算的数学方法，并给出了数学模型。 2.结合有限元理论，探讨了如何利用 ANSYS 软件实现感应加热磁-热耦合场的数值模拟以及对相
44、关问题的处理方法。 3.运用 ANSYS 11.0 版本中新增的求解耦合场的方法对感应加热过程进行变参数模拟计算，得出了频率与电流密度对温度在空间和时间上的影响结果。 4.通过一较为简单的感应加热和表面温度采集系统表明，数值模拟结果与实际应用基本一致，证明了数值模拟方法的正确与实用性。深人进行感应加热的数值模拟研究，可以为制定感应加热优化工艺奠定基础，从而减少试验成本，提高热处理加工精度。 由于感应加热过程的复杂性，以及实际应用影响因素的多样性，有许多问题和技术还有待进一步进行深入研究： 1.由于条件所限、时间较紧，本文没有实现对移动工件进行模拟运算。 2.本文着重于感应加热过程数值模拟实现方法的研究以及模拟结果与实际工程应用的比较验证，而对工艺以及感应器的设计与优化问题有待进一步研究。 3.温度场与应力耦合计算的问题。参考文献1周庆荣，张泽廷，朱美文，等.固体溶质在含夹带剂超临界流