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Vol.28 No.7 秦子然等：45#钢零件感应热处理过程温度场的有限元模拟及组织研究 .633. 过程的可靠性，下面将利用ANSYS软件结合 发生相变，其组织仍为原始组织 45#材料的CCT曲线，对感应热处理后工件内部 4.2现场实验结果 组织进行分析预测， 此外，在现场实验中，通过金相显微镜观测出 4.1有限元模拟分析 工件感应加热然后保温后内部不同位置的组织情 在相同实验条件下，模拟工件感应加热30s, 况（如图7） 然后空冷10s后其内部温度分布云图（如图5） MN 图7工件内部不同的观测位置 117.417272.02426.622581.225735.828 Fig-7 Different observation positions in a workpiece 194.71834932503924658.526813.129 通过感应热处理后工件内部组织金相照片 图5空冷10s后工件内的温度分布云图 (如图8)可以看出：位置1处，工件在感应加热中 Fig.5 Temperature distribution graph of the workpiece cooled in air for 10s 达到了奥氏体形成温度，然后在空冷过程中发生 组织转变，但由于工件与空气对流换热系数较低， 由于工件内部温度变化速率各不相同，本文 内部冷却速度比较缓慢，形成了大量的珠光体组 只考虑了工件内部α，b两点（如图5）的温度变化 织，随着工件内部由外向里，温度和冷却速度的 情况，由模拟结果得出α，b两，点在整个热处理 迅速减小，其珠光体的含量也出现明显的减少. 过程，温度随时间变化数值，整理数据得出这两 这在位置2处已经明显地反映出来 点在空冷过程的温度随时间变化曲线α，b(图 同时，考虑到工件外壁中部较感应线圈位置 6),并结合45#钢的CCT曲线，从而获得其冷却 较近，受到大量感应磁力线切割作用，产生局部温 后的组织 度突高的现象，同样形成大量的珠光体组织，而 在位置4处工件所受磁力线切割很少，自身生热 700 20 缓慢而没发生组织转变，仍然呈现铸造成型时的 600 25 500 33 珠光体和大量铁素体分布 400 金相照片中的1,3位置正对应了数值模拟结 300 M 47 果中a4,b两点的预测情况，这说明数值模拟的方 200 50 法可以进一步对工件感应热处理后的组织进行一 100 M+A 58 定程度预报和分析 0 -1000 101010910 5结论 s (1)利用ANSYS有限元分析软件模拟底盘 图6位置a,b与45#钢的连续冷却转变曲线 Fig-6 CCT curve of points a.b and 45%C steel 零件在感应加热及保温过程中工件内部温度分布 情况，并通过现场实验进行验证，具有较好的吻合 分析结果可知：在空冷过程中，a,b两点均 结果 发生了珠光体转变，且a点的冷却速率大于b点， (2)利用模拟出的工件在空冷中的温度变化 由此分析预测，α，b两点临近区域均为珠光体组 结果，并结合45钢CCT曲线有效地预测了工件 织，且形成珠光体的面积α点要大于b点，随着 的相变过程及内部微观组织的空间分布情况， 工件内部越靠近中心区域，温度逐渐减小，则珠体 (③)研究结果表明，有限元数值模拟法可以 形成面积也逐渐减少，在工件中心区域，由于在 较好地预测钢的感应加热热处理过程中的一些较 加热过程中，温度始终未达到奥氏体形成温度，未 难观测的结果过程的可靠性下面将利用 ANSYS 软件结合 45＃材料的 CCT 曲线对感应热处理后工件内部 组织进行分析预测． 4∙1 有限元模拟分析 在相同实验条件下模拟工件感应加热30s 然后空冷10s 后其内部温度分布云图（如图5）． 图5 空冷10s 后工件内的温度分布云图 Fig．5 Temperature distribution graph of the workpiece cooled in air for10s 由于工件内部温度变化速率各不相同本文 只考虑了工件内部 ab 两点（如图5）的温度变化 情况．由模拟结果得出 ab 两点在整个热处理 过程温度随时间变化数值．整理数据得出这两 点在空冷过程的温度随时间变化曲线 ab （图 6）并结合45＃钢的 CCT 曲线从而获得其冷却 后的组织． 图6 位置 ab 与45＃钢的连续冷却转变曲线 Fig．6 CCT curve of points ab and45％C steel 分析结果可知：在空冷过程中ab 两点均 发生了珠光体转变且 a 点的冷却速率大于b 点． 由此分析预测ab 两点临近区域均为珠光体组 织且形成珠光体的面积 a 点要大于 b 点．随着 工件内部越靠近中心区域温度逐渐减小则珠体 形成面积也逐渐减少．在工件中心区域由于在 加热过程中温度始终未达到奥氏体形成温度未 发生相变其组织仍为原始组织． 4∙2 现场实验结果 此外在现场实验中通过金相显微镜观测出 工件感应加热然后保温后内部不同位置的组织情 况（如图7）． 图7 工件内部不同的观测位置 Fig．7 Different observation positions in a workpiece 通过感应热处理后工件内部组织金相照片 （如图8）可以看出：位置1处工件在感应加热中 达到了奥氏体形成温度然后在空冷过程中发生 组织转变但由于工件与空气对流换热系数较低 内部冷却速度比较缓慢形成了大量的珠光体组 织．随着工件内部由外向里温度和冷却速度的 迅速减小其珠光体的含量也出现明显的减少． 这在位置2处已经明显地反映出来． 同时考虑到工件外壁中部较感应线圈位置 较近受到大量感应磁力线切割作用产生局部温 度突高的现象同样形成大量的珠光体组织．而 在位置4处工件所受磁力线切割很少自身生热 缓慢而没发生组织转变仍然呈现铸造成型时的 珠光体和大量铁素体分布． 金相照片中的13位置正对应了数值模拟结 果中 ab 两点的预测情况这说明数值模拟的方 法可以进一步对工件感应热处理后的组织进行一 定程度预报和分析． 5 结论 （1） 利用 ANSYS 有限元分析软件模拟底盘 零件在感应加热及保温过程中工件内部温度分布 情况并通过现场实验进行验证具有较好的吻合 结果． （2） 利用模拟出的工件在空冷中的温度变化 结果并结合45＃钢 CCT 曲线有效地预测了工件 的相变过程及内部微观组织的空间分布情况． （3） 研究结果表明有限元数值模拟法可以 较好地预测钢的感应加热热处理过程中的一些较 难观测的结果． Vol．28No．7 秦子然等：45＃钢零件感应热处理过程温度场的有限元模拟及组织研究 ·633·