D0I:10.13374/1.issnl00I53.2006.07.005 第28卷第7期 北京科技大学学报 Vol.28 No.7 2006年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2006 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 秦子然) 刘国权)宋月鹏)尹江辉) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京北方车辆集团有限公司，北京100072 摘要利用ANSYS有限元分析软件，对45钢特定形状底盘零件感应加热，冷却的全过程进行 了温度场的二维有限元模拟分析，进而利用工件冷却前后内部温度变化的模拟结果和45*钢的 CCT曲线获得了冷却后工件内部组织分布情况·利用工业条件下的零件热处理实验对温度场和 微观组织的模拟结果进行了验证，实验与模拟结果吻合良好 关键词感应热处理：有限元模拟；温度场：显微组织 分类号TG156.97:0242.21 随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法 (③)感应加热磁力线切割工件时，工件内部 开始渗透到材料加工技术领域，它的使用克服了 会产生感生电流，在数值模拟中，不考虑位移电 许多在实际生产中很难观测数据所带来的问题并 流对感应加热的影响， 大大节省了研究时间，此方法逐渐被人们所接受 1.2初始和边界条件 并成为此领域的有效研究手段山，然而，国内已 考虑实际感应加热过程的周围空气温度为 有的此类工作中，多数仅限于对温度场的有限元 15℃，本文假设所研究工件模型温度与室温相 模拟，缺少对所得组织的研究分析2) 同；感应加热设备电压450V,电流频率8000业· 本文利用ANSYS大型通用有限元分析软 此时空气对流换热系数为65Wm一2.℃-1. 件，通过电磁场和温度场的耦合计算，模拟出所研 电磁场偏微分方程)： 究的某45÷钢工件在感应加热及冷却整个过程中 A=一J 的温度场，进而对该工件感应加热正火的显微组 V2A-HE (1) 织的空间分布等重要数据进行了分析讨论 票.9 72中-e (2) 1有限元数学模型 其中，“和e分别为45钢的磁导率和介电常数： 1.1基本假设和简化处理 A为矢量磁势：中为标量电势：J为传导电流密度 对于电磁感应过程来说，45+钢属铁磁性材 矢量：凸为体电荷密度，Cm3;72为拉普拉斯 料，其在交变磁场中反复磁化，磁畴不断转向，产 算子，72= 生摩擦消耗能量，从而引起磁滞损耗，消耗能量， 模拟工件的感应加热过程是非线性瞬态热分 但在中、高频感应加热中，这部分能量较涡流产生 析，其中包含着相变过程.在ANSYS数值模拟 的能量小得多.因此，在计算之前需要对模型进 中，利用焓变化来考虑相变潜热。其关系公式为 行一些必要的简化处理： △H= P2c(T)dT,这里的H和T分别为焓及 (1)忽略工件在电磁感应中，磁滞损耗所引 起的自身温度升高 温度 (2)不考虑电磁感应在空气中少量的漏磁， 对于一个三维感应热处理过程，其热传导方 程为： 收稿日期：2005-04-14修回日期：2005-09-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50271009: P2c= T= =入a No.50334010) (3) 作者简介：秦子然(1981一)，男，顾士研究生：刘国权(1952一)， 男，教授，博士 其中，P2,c,入分别为工件的密度、比热容及热传
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 秦子然1） 刘国权1） 宋月鹏1） 尹江辉2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 北京北方车辆集团有限公司北京100072 摘 要 利用 ANSYS 有限元分析软件对45＃钢特定形状底盘零件感应加热、冷却的全过程进行 了温度场的二维有限元模拟分析进而利用工件冷却前后内部温度变化的模拟结果和45＃ 钢的 CCT 曲线获得了冷却后工件内部组织分布情况．利用工业条件下的零件热处理实验对温度场和 微观组织的模拟结果进行了验证实验与模拟结果吻合良好． 关键词 感应热处理；有限元模拟；温度场；显微组织 分类号 TG156∙97；O242∙21 收稿日期：20050414 修回日期：20050905 基金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ No．50271009； No．50334010） 作者简介：秦子然（1981—）男硕士研究生；刘国权（1952—） 男教授博士 随着计算机技术的迅猛发展数值模拟方法 开始渗透到材料加工技术领域它的使用克服了 许多在实际生产中很难观测数据所带来的问题并 大大节省了研究时间此方法逐渐被人们所接受 并成为此领域的有效研究手段［1］．然而国内已 有的此类工作中多数仅限于对温度场的有限元 模拟缺少对所得组织的研究分析［23］． 本文利用 ANSYS 大型通用有限元分析软 件通过电磁场和温度场的耦合计算模拟出所研 究的某45＃钢工件在感应加热及冷却整个过程中 的温度场进而对该工件感应加热正火的显微组 织的空间分布等重要数据进行了分析讨论． 1 有限元数学模型 1∙1 基本假设和简化处理 对于电磁感应过程来说45＃ 钢属铁磁性材 料其在交变磁场中反复磁化磁畴不断转向产 生摩擦消耗能量从而引起磁滞损耗消耗能量． 但在中、高频感应加热中这部分能量较涡流产生 的能量小得多．因此在计算之前需要对模型进 行一些必要的简化处理： （1） 忽略工件在电磁感应中磁滞损耗所引 起的自身温度升高． （2） 不考虑电磁感应在空气中少量的漏磁． （3） 感应加热磁力线切割工件时工件内部 会产生感生电流．在数值模拟中不考虑位移电 流对感应加热的影响． 1∙2 初始和边界条件 考虑实际感应加热过程的周围空气温度为 15℃本文假设所研究工件模型温度与室温相 同；感应加热设备电压450V电流频率8000Hz． 此时空气对流换热系数为65W·m —2·℃—1［5］． 电磁场偏微分方程［4］： ∇2A—με ∂2A ∂t 2＝—μJ （1） ∇2●—με ∂2● ∂t 2＝— ρ1 ε （2） 其中μ和ε分别为45＃钢的磁导率和介电常数； A 为矢量磁势；●为标量电势；J 为传导电流密度 矢量；ρ1 为体电荷密度C·m —3 ；∇2 为拉普拉斯 算子∇2＝ ∂2 ∂x 2＋ ∂2 ∂y 2＋ ∂2 ∂z 2 ． 模拟工件的感应加热过程是非线性瞬态热分 析其中包含着相变过程．在 ANSYS 数值模拟 中利用焓变化来考虑相变潜热．其关系公式为 ΔH＝∫ρ2c（ T）d T这里的 H 和 T 分别为焓及 温度． 对于一个三维感应热处理过程其热传导方 程为［2］： ρ2c＝ ∂T ∂t ＝ ∂ ∂x λ ∂T ∂x ＋ ∂ ∂y λ ∂T ∂y ＋ ∂ ∂z λ ∂T ∂z （3） 其中ρ2cλ分别为工件的密度、比热容及热传 第28卷 第7期 2006年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．7 Jul．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．07．005
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 .631. 导系数 中在加热过程中，工件（图1）内部部分温度会高 考虑工件感应加热后空冷，然后水域冷却. 于材料本身的相变点温度而发生相变，有限元软 其对流边界条件为： 件通过定义材料随温度变化的焓值来考虑相变潜 A号引=A(T.-T) (4) 热.工件主要几何尺寸：下底半径r,=60mm,上 底半径，=55mm,总高度hw=43mm,内腔厚度 其中，h为表面换热系数；t为物体边界；T,Tg hw=l8mm,下底台阶高hw=6mm, 分别为工件表面温度及淬火介质温度 2 模拟过程中所需的主要物性参数 在实际感应加热过程中，材料本身的一些物 性参数，对加工工艺起着重大的影响，其中一些物 性参数会随温度的上升发生明显的变化.因此， 在数值模拟中，有必要对这些物性参数进行重点 考虑，通过有限元分析软件中的插值法，记录温 度变化过程中这些物性参数的数值变化，来模拟 其在生产加工中随温度的变化 图1工件的几何模型 表1和表2是有限元模拟所需要的45*钢在 Fig-1 Geometric model of a workpiece 电磁场和温度场随温度变化的重要物性参数·其 表145“钢电磁场物理性能] Table 1 Physical properties of0.45%C steel in electromagnetic field T/℃ 25.5 160.0291.5 477.6 635.0 698.0 709.0 720.3 742.0 761.0 1000 相对磁导率，“，200 190 182161 135104 84 35 17 1 T/C 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 电阻系数，P/10-80.1840.2720.3840.5120.6560.8241.032 1.1521.200 表245#钢温度场物理性能) Table 2Physical properties of 0.45%C steel in temperature field T/℃ 0 27 127 327 527 727 765 765.001 927 相变热焓， 09.161×1074.533×1031.275×1092.252×1093.340×1093.548×1093.549×1094.352×109 Hg当 T/℃ 0 730 930 1000 传热系数， 60.64 29.50 28.00 28.00 K/Wm2.℃-J 3 ANSYS模拟二维工件感应加热 过程 3.1前处理 考虑到工件的轴对称性特征，产生的电磁场 远场区域 在线圈的任意竖直横截面上是相同的，横截面上 电磁场以对称形式分布，因此，本文以工件1/2 横截面进行分析计算， 假设大圆以外无磁场分布，大圆与小圆之间 区域为远场区域，小圆内为近场区域，近场区域 内部工件和线圈按实际感应加热位置分布（如图 2) 图2轴对称物理场单元划分图 采用分步模拟法，在电磁场模拟中，选择工件、 Fig.2 Lattice divide chart of the physical model
导系数． 考虑工件感应加热后空冷然后水域冷却． 其对流边界条件为： —λ ∂T ∂n τ ＝h（ Ts— Tq） （4） 其中h 为表面换热系数；τ为物体边界；TsTq 分别为工件表面温度及淬火介质温度． 2 模拟过程中所需的主要物性参数 在实际感应加热过程中材料本身的一些物 性参数对加工工艺起着重大的影响其中一些物 性参数会随温度的上升发生明显的变化．因此 在数值模拟中有必要对这些物性参数进行重点 考虑．通过有限元分析软件中的插值法记录温 度变化过程中这些物性参数的数值变化来模拟 其在生产加工中随温度的变化． 表1和表2是有限元模拟所需要的45＃钢在 电磁场和温度场随温度变化的重要物性参数．其 中在加热过程中工件（图1）内部部分温度会高 于材料本身的相变点温度而发生相变．有限元软 件通过定义材料随温度变化的焓值来考虑相变潜 热．工件主要几何尺寸：下底半径 rb＝60mm上 底半径 rt＝55mm总高度 hw＝43mm内腔厚度 hiw＝18mm下底台阶高 hbw＝6mm． 图1 工件的几何模型 Fig．1 Geometric model of a workpiece 表1 45＃钢电磁场物理性能 ［3］ Table1 Physical properties of0∙45％C steel in electromagnetic field T／℃ 25∙5 160∙0 291∙5 477∙6 635∙0 698∙0 709∙0 720∙3 742∙0 761∙0 1000 相对磁导率μi 200 190 182 161 135 104 84 35 17 1 1 T／℃ 0 125 250 375 500 625 750 875 1000 电阻系数ρ／10—6 0∙184 0∙272 0∙384 0∙512 0∙656 0∙824 1∙032 1∙152 1∙200 表2 45＃钢温度场物理性能 ［3］ Table2Physical properties of0∙45％C steel in temperature field T／℃ 0 27 127 327 527 727 765 765∙001 927 相变热焓 H／（J·kg —1） 0 9∙161×107 4∙533×108 1∙275×109 2∙252×109 3∙340×109 3∙548×109 3∙549×109 4∙352×109 T／℃ 0 730 930 1000 传热系数 K／（W·m —2·℃—1） 60∙64 29∙50 28∙00 28∙00 3 ANSYS 模拟二维工件感应加热 过程 3∙1 前处理 考虑到工件的轴对称性特征产生的电磁场 在线圈的任意竖直横截面上是相同的横截面上 电磁场以对称形式分布．因此本文以工件1／2 横截面进行分析计算． 假设大圆以外无磁场分布大圆与小圆之间 区域为远场区域小圆内为近场区域．近场区域 内部工件和线圈按实际感应加热位置分布（如图 2）． 采用分步模拟法在电磁场模拟中选择工件、 图2 轴对称物理场单元划分图 Fig．2 Lattice divide chart of the physical model 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 ·631·
.632 北京科技大学学报 2006年第7期 线圈、近场空气区域单元类型为PLANE13;远场 用非线形谐性分析和瞬态热分析，在温度场计算 空气区域单元类型为INIFIN110,并且设定它们 中设定整个感应加热时间为20s,且每个时间步 的“Element Behavior"为Axisymmetric”. 长为1s:研究工件随时间变化的温度分布情况， 3.2求解计算 由此获得5,10,20s时，工件1/2横截面内部温度 利用分步计算方法，电磁场和温度场分别采 分布云图（如图3） (a) (b) 1=0 151004642277743109065140386 1704611037720370829703939037 307616208293404124.726156047 63712157042250373343704437055 120s 32469260.21548796715706943452 146.342374.088601833829.5791057 图3模拟不同加热时刻工件内部温度分布云图.(a)t=5s:(b)t=10s(c)t=20s Fig-3 Temperature distribution graphs in different time:(a)t=5s:(b)t=10s;(c)=20s 3.3结果分析 模拟数值偏高的结果；在15~20s过程中，感应加 由模拟结果分析得出：在20s感应加热过程 热速度成倍增加，对外辐射作用相对已经很小，同 中，工件内部温度分布是由感应生热和热传导综 时实际所利用的微电位计的反映灵敏程度有限， 合作用的结果，且感应生热起主导作用，另外，由 在图4中反映出了模拟数值相对较高的结果.由 于尖角效应，工件内部磁力线更多的集中在右部 此可知，ANSYS有限元数值模拟软件对特定工件 的外表层，因此，工件右下角的尖角处温度最高， 感应加热过程分析具有一定的指导作用， 逐渐向内部以层状方式递减，靠近工件的中心部 350 位由于几乎没有磁力线切割，多数以热传导方式 300 一·一实际结果 一A一模拟结果 为主，温度上升缓慢 2504 同时，在现场实验中，利用热电偶和微电位计 150 实测工件下底距外边缘13.5mm处M点（图3） I00 的温度随时间变化曲线.由于实际利用的实验设 中* 50 备所限，在工件感应加热过程中，人工利用微电位 计对工件M点进行点接触式温度测量记值，最 后实验结果同模拟结果比较可知，有限元数值模 图4工件外表面M点实际与模拟温度变化曲线 拟方法同实际有较好的趋势性， Fig.4 Temperature variation curves of point M by measure- ment and simulation 图4为工件表面M点实际结果和模拟结果 温度变化曲线图，根据图中的比较结果考虑：在 4 有限元模拟对工件感应热处理后 感应加热前15s,由于有限元模拟过程中始终忽 略工件对外辐射所产生的热量，而且热电偶是以 组织的分析 外表面接触式与工件相连，因此，会存在实际比 为了进一步验证有限元法对感应热处理整个
线圈、近场空气区域单元类型为 PLANE13；远场 空气区域单元类型为 INIFIN110并且设定它们 的“Element Behavior”为“Axisymmetric”． 3∙2 求解计算 利用分步计算方法电磁场和温度场分别采 用非线形谐性分析和瞬态热分析．在温度场计算 中设定整个感应加热时间为20s且每个时间步 长为1s．研究工件随时间变化的温度分布情况． 由此获得51020s 时工件1／2横截面内部温度 分布云图（如图3）． 图3 模拟不同加热时刻工件内部温度分布云图．（a） t＝5s；（b） t＝10s；（c） t＝20s Fig．3 Temperature distribution graphs in different time： （a） t＝5s；（b） t＝10s；（c） t＝20s 3∙3 结果分析 由模拟结果分析得出：在20s 感应加热过程 中工件内部温度分布是由感应生热和热传导综 合作用的结果且感应生热起主导作用．另外由 于尖角效应工件内部磁力线更多的集中在右部 的外表层．因此工件右下角的尖角处温度最高 逐渐向内部以层状方式递减．靠近工件的中心部 位由于几乎没有磁力线切割多数以热传导方式 为主温度上升缓慢． 同时在现场实验中利用热电偶和微电位计 实测工件下底距外边缘13∙5mm 处 M 点（图3） 的温度随时间变化曲线．由于实际利用的实验设 备所限在工件感应加热过程中人工利用微电位 计对工件 M 点进行点接触式温度测量记值．最 后实验结果同模拟结果比较可知有限元数值模 拟方法同实际有较好的趋势性． 图4为工件表面 M 点实际结果和模拟结果 温度变化曲线图．根据图中的比较结果考虑：在 感应加热前15s由于有限元模拟过程中始终忽 略工件对外辐射所产生的热量而且热电偶是以 外表面接触式与工件相连．因此会存在实际比 模拟数值偏高的结果；在15～20s 过程中感应加 热速度成倍增加对外辐射作用相对已经很小同 时实际所利用的微电位计的反映灵敏程度有限 在图4中反映出了模拟数值相对较高的结果．由 此可知ANSYS 有限元数值模拟软件对特定工件 感应加热过程分析具有一定的指导作用． 图4 工件外表面 M 点实际与模拟温度变化曲线 Fig．4 Temperature variation curves of point M by measurement and simulation 4 有限元模拟对工件感应热处理后 组织的分析 为了进一步验证有限元法对感应热处理整个 ·632· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第7期
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·
.634. 北京科技大学学报 2006年第7期 1004m 100m 00m 图8工件内部不同位置的金相组织.(a)位置1；(b)位置2；(c)位置3：(d)位置4 Fig-8 Metallurgical structure at different positions;(a)Position 1;(b)Position 2;(c)Position 3;(d)Position 4 热与电磁学篇.北京：中国铁道出版社，2002 参考文献 [⑤)谭真，郭广文，工程合金热物性.北京：冶金工业出版社， 1994 [1]Mackerle J.Finite element analysis and simulation of quench- [6]Natarajan T T.Nagy EI K.Finite element analysis of electro- ing and other heat treatment process a bibliography (1976- magnetic and fluid flow phenomena in rotary electromagnetic 2001).Comput Mater Sci,2003,27(3):313 stirring of steel.Appl Math Modell.2004.28(1):47 [2]赖宏，刘天模.45钢零件淬火过程温度场的ANSYS模拟 [7]Liu CC.Xu X J.Liu Z.A FEM modeling of quenching and 重庆大学学报，2002,26(3)：82 tempering and its application in industrial engineering.Finite [3]曹嘉新，戴一一，屠挺生·锻坯感应加热的有限元分析.上 Elem Anal Des,2003,39(11):1053 海金属，2003,25(2)：41 [4]唐兴伦，范群波，张朝晖，等.ANSYS工程应用教程一 FEM analysis of the temperature field and microstructure of a 0.45%C steel component in induction heat treatment process QIN Ziran,LIU Guoquan,SONG Y uepeng,YIN Jianghui2 1)Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Beijing North Vehicle Group Corporation.Beijing 100072.China ABSTRACI The commercial FEM analysis software ANSYS was used to simulate the induction heating process and cooling process of a special shape chassis part made of 0.45C steel.Combining with the tem- perature variation curve by simulation and the CCT curve of 0.45%C steel,the microstructure inside the workpiece was predicted after it was cooled in air.The result showed that the simulated data of temperature field and microstructure agree well with the experimental ones in industrial condition. KEY WORDS induction heat-treatment;finite element simulation:temperature field;microstructure
图8 工件内部不同位置的金相组织．（a） 位置1；（b） 位置2；（c） 位置3；（d） 位置4 Fig．8 Metallurgical structure at different positions；（a） Position1；（b） Position2；（c） Position3；（d） Position4 参 考 文 献 ［1］ Mackerle J．Finite element analysis and simulation of quenching and other heat treatment process a bibliography （1976— 2001）．Comput Mater Sci200327（3）：313 ［2］ 赖宏刘天模．45钢零件淬火过程温度场的 ANSYS 模拟． 重庆大学学报200226（3）：82 ［3］ 曹嘉新戴一一屠挺生．锻坯感应加热的有限元分析．上 海金属200325（2）：41 ［4］ 唐兴伦范群波张朝晖等．ANSYS 工程应用教程——— 热与电磁学篇．北京：中国铁道出版社2002 ［5］ 谭真郭广文．工程合金热物性．北京：冶金工业出版社 1994 ［6］ Natarajan T TNagy E I K．Finite element analysis of electromagnetic and fluid flow phenomena in rotary electromagnetic stirring of steel．Appl Math Modell200428（1）：47 ［7］ Liu C CXu X JLiu Z．A FEM modeling of quenching and tempering and its application in industrial engineering．Finite Elem Anal Des200339（11）：1053 FEM analysis of the temperature field and microstructure of a 0∙45％C steel component in induction heat-treatment process QIN Ziran 1）LIU Guoquan 1）SONG Y uepeng 1）Y IN Jianghui 2） 1） Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Beijing North Vehicle Group CorporationBeijing100072China ABSTRACT The commercial FEM analysis software ANSYS was used to simulate the induction heating process and cooling process of a special shape chassis part made of0∙45％C steel．Combining with the temperature variation curve by simulation and the CCT curve of 0∙45％C steelthe microstructure inside the workpiece was predicted after it was cooled in air．The result showed that the simulated data of temperature field and microstructure agree well with the experimental ones in industrial condition． KEY WORDS induction heat-treatment；finite element simulation；temperature field；microstructure ·634· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第7期