45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟_赖宏

重庆大学学报JournalofChongqing󰀁󰀁󰀁University

Mar.2003󰀁Vol.26󰀁No.3

󰀁󰀁文献编号:1000-582(2003)03-0082-03

45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟

赖󰀁宏,刘天模

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆󰀁400044)

󰀁

摘󰀁要:ansys有限元软件在温度场的模拟过程中,很好地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有限元分析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,得到了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火工艺的优化,并为精确计算淬火过程中的热应力、残余应力做好了准备工作。

关键词:淬火;温度场;有限元;ansys模拟;非线性热物性参数中图分类号:TG156.34

文献标识码:A

程序中出现的人为错误,使之留下隐患。ANSYS不仅解决了这些问题,而且可以更真实的描述零件的几何形状和定解条件,特别是它还能成功地处理一些非线性初边值问题,通过友好的用户接口,可很容易获得钢件淬火过程动态图、温降历程、温度分布,因而特别适合复杂零件淬火过程温度场的动态模拟[3]。

󰀁󰀁在淬火冷却过程中,因为零件内部温度分布不均匀,组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力,这些应力的存在将直接影响零件的组织性能和使用寿命。如果热处理不当,将会造成零件组织性能达不到预定要求,甚至会产生过量变形或开裂而报废。生产实践表明,淬火冷却过程是热处理工艺中返修率最高和废品率最高的工序,是热处理质量控制中最难掌握的环节。要评估淬火件的组织转变情况及淬火残余应力,必须确定淬火冷却过程零件材料内部的温度随时间的分布规律。因而淬火过程温度场的确定是优化热处理工艺、提高零件内在质量的主要依据。

淬火过程温度分布的传统分析方法是实验测定和经验判断。由于淬火是一个相当复杂的过程,受多种因素影响,而各影响因素之间又相互作用、相互制约。因此传统的方法不能完整、全面、准确地分析和预测淬火过程的温度场[1]。

计算机模拟(仿真)可将热处理过程的物理现象和零件的几何造型有机地结合起来,实现动态的、逼真的模拟,因此用这一技术分析和研究淬火过程已受到高度重视。对于外形规则、对称的零件如轴、板等,现已有多种方法计算其温度场[2]。但对于外形过于复杂的零件,若从编制程序、调试、改进到应用过程完全靠几个工程技术人员手工完成,则由于问题的复杂性,不仅要耗费大量的人力和时间,而且很难保证完全排除

󰀁

1󰀁淬火冷却过程数学模型

1.1淬火过程热传导方程

对一个三维形状的零件,其热传导方程为󰀁c=󰀁T=󰀁(󰀁󰀁T)+󰀁(󰀁󰀁T)+󰀁(󰀁󰀁T)

󰀁t󰀁x󰀁x󰀁y󰀁y󰀁z󰀁z(1)

󰀁󰀁其中,󰀁、c和󰀁分别表示材料的密度、比热容和热传导系数。对于淬火过程来说,比容和热传导系数与材料淬火过程的温度有关。1.2󰀁对流边界条件

零件进行淬火时,认为边界条件为对流换热边界条件

[4]

:

󰀁T-󰀁󰀁n󰀁

=h(Ts-Tq)(2)

󰀁󰀁其中h和󰀁分别表示表面换热系数和换热边界,Ts为零件表面温度,Tq为淬火界质温度。

收稿日期:2002-11-04

作者简介:赖宏(1976-),男,四川内江人,重庆大学硕士研究生。主要从事材料强韧化,材料表面强化方向研究。第26卷第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁赖󰀁宏等:󰀁45钢零件淬火过程温度场的ansys模拟

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2󰀁45号钢非线性热物性参数

计算表明,当未考虑材料物性参数的非线性性质时,淬火冷却过程温度分布与实测值有相当的误差[5]。由于热物性参数是温度和相变组织成分的函数,而淬火

表1

T/󰀁Cp/(J/kg󰀁󰀂)󰀁/(W/W󰀁󰀂)

10048043.53

20049840.44

30052438.13

40056036.02

50061534.16

过程温度跨度大,组织变化程度大,因而将各热物性参

数看作恒量显然是不合理的。因而比热容、热导率必需看成是温度的函数。由手册[5]查得45号钢的比热容、热导率与温度变化关系如表1所示。淬火液为水时,45钢的换热系数随温度变化关系如表2所示。

60070031.98

70085428.66

755106425.14

80080626.49

90063725.92

100060224.02

45号钢的比热容热导率与温度关系

表2

T/󰀁h/(W/m󰀁󰀂)

2

45号钢换热系数与温度关系30013500

35014000

40012500

5007000

6004200

7001500

800500

502000

1003800

2006000

3󰀁ansys模拟淬火过程温度场实例分析

图1所示为某一零件截面图,材质为45号钢,将其加热到850󰀁保温,使其充分奥氏体化后,在0󰀁水

中淬火,考察其淬火过程温度场分布。

淬火过程为非线性瞬态过程,对该过程,着重研究其淬火50s内温度场的分布规律。对该过程,打开自动时间步长,并设定numberofsubsteps为100。

3.3󰀁求解结果与分析

由设定的求解条件可以得到淬火过程50s内零件各部分的温度场分布,并可模拟温度场随时间的动态变化过程。图2所示为零件表面及心部在淬火0.5s、25s、50s时的温度场的分布。从图中可以看出,在淬火0.5s时,表面温度迅速降低,而心部温度

图1󰀁淬火零件截面图(单位:cm)

3󰀁1󰀁前处理(processor)阶段

1)建模。根据图1所示淬火零件截面图,利用an-sys软件自带的三维实体建模工具构建淬火零件的三维实体模型。在建模过程中,以cm为单位。

2)网格划分。由于是三维实体模型,因而选用8节点solid70单元进行网格划分。对局部感兴趣的点,可以用更小的单元进行网格划分。

3)定义材料热物性参数。45钢的密度与温度变化关系不是很大,按常数处理,对最后结果影响不大。

3

这里,由手册[5]取为7833kg/m。对比热容、热导率、换热系数等这些温度影响较大的热物性参数,必须根据表1、表2数据进行输入,以确保计算结果的准确性。

3.2󰀁求解(solution)阶段

设定淬火过程对流边界条件及初值条件。45钢图2󰀁不同时刻的温度场

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重庆大学学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2003年

仍然维持高温,因而表面淬透性很大,这与实际情况相符合。随着淬火时间的延长,表面温度持续下降,但是温度降低速率显着下降。内部温度相应降低,降低速率比表面稍高。分别对图1所示A、B、C、D、E结点进行研究,考察其温度随时间变化情况,如图2所示。D点由于处于轮轴外边缘交线上,因而在刚一淬火时,温度下降极为迅速。而B由于处在轮缘交线上,由于内部热源的补充使其温降速度下降。同样的道理,A点与C点的温度时间关系也存在较大的差别。

时它任何刻的准确温度值。

4󰀁结󰀁论

对于几何外形复杂的零件,应用ansys求解其淬火过程温度场,计算速度较快,并且计算结果可靠。

对于热物性参数为非线性的材料,特别适合利用ansys进行求解分析。

利用ansys进行淬火过程温度场分析,可以为淬火过程热应力,残余应力的计算准备温度条件。参考文献:

[1]󰀁马仙.淬火过程数值模拟研究进展[J].兵器材料科学与

工程,1999,(3)59-63.

[2]󰀁陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社.

1988.

[3]󰀁王国强.实用工程数值模拟技术及其在ansys上的实践

[M].西安:西北工业大学出版社.1999󰀁

[4]󰀁殷雯,雷宏.对称钢件淬火过程温度场分布的数值模拟

[J].集美大学学报,1998,3(4):55-59.

[5]󰀁谭真,郭广文.工程合金热物性[M].北京:冶金工业出

图3󰀁各点温度随淬火时间的关系

版社.1994.

[6]󰀁程赫明,王洪纲.圆柱体45钢淬火过程热传导方程逆问

题的求解[J].昆明理工大学学报,1996,6:54-58.

对于其感兴趣的点,可利用该方法求出其在任何淬火

TemperatureFiledAnsysSimulationinQuenching

Processof45TeelPart

LAIHong,LIUTian-mo

(CollegeofMaterialScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:Nonlinearthermophysicsparametersareconsideredinansysfiniteelementsoftware,soitcanbeusedtocomputetemperatureinthequenching.Thetemperaturefieldinquenchingprocessof45steelpartissimulatedbyansysfiniteelementsoftware,andtherelationshipbetweentemperatureofpartandquenchingtimeisobtained.Sim-ulationresultiscorrespondentwithrealprocess,thismethodhasquickcomputingspeed,anditcanoptimizequench-ingtechnologyandselectquenchingbath.Themostofall,thismethodcansupplythetemperatureconditionincom-putationofthermalstressandresidualstressofquenchingprocess.

Keywords:quenching;temperaturefield;finiteelement;ansyssimulation;nonlinearthermophysicsparameters

(责任编辑󰀁陈移峰)