论文总字数：17802字

摘 要

本文利用三维建模软件ProE建立平整机组开卷机棱锥轴的三维模型，借助大型有限元模拟计算软件ABAQUS对其淬火冷却过程进行了计算模拟，得到了温度场及冷却曲线的定量模拟结果。然后应用该钢种的CCT曲线，预测其淬火后的组织和性能。结合实际的金相组织和硬度分布，探讨选用的材料和工艺对该轴断裂产生的影响，并提出改进意见。所得结果对于棱锥轴的材料选用及热处理工艺具有重要的指导意义。

研究结果表明：淬火过程结束后，其棱锥轴表层所形成的组织主要为马氏体，心部主要是珠光体、少量下贝氏体和少量的铁素体。而从表层到心部之间则是，马氏体逐渐减少，下贝氏体开始增加；随后下贝氏体开始减少，逐渐出现珠光体。当靠近心部时，会出现少量的铁素体。而棱锥轴的开裂主要是由于在工作时应力集中或是碰撞而导致表层产生裂纹。随后开始向另一方向扩展，导致棱锥轴的开裂。

本文的特色：用有限元的方法模拟了淬火过程，利用CCT曲线预测了淬火后的组织及性能。

关键词：有限元；平整机轴；淬火；温度场

Abstract

In this paper, the three-dimensional model of the uncoiler pyramid shaft of the temper mill is established by using the three-dimensional modeling software ProE. Then the quenching of the shaft is simulated with the help of large-scale finite element simulation software ABAQUS, and the quantitative simulation results of temperature field and cooling curve. Then the microstructure and properties of the steel after quenching are predicted by using the CCT curve of the steel. According to the actual metallographic microstructure and hardness distribution, the influence of selected materials and processes on the fracture of the shaft is discussed, and some suggestions for improvement are put forward. It is important and significant for guiding the material selection and heat treatment process of the pyramid shaft.

The results show that after the quenching process, the microstructure formed on the surface of the pyramid axis is mainly martensite, and the core is mainly pearlite, a small amount of lower bainite and a small amount of ferrite. From the surface to the core, the martensite decreases gradually, the lower bainite begins to increase, and then the lower bainite begins to decrease and pearlite gradually appears. When close to the core, a small amount of ferrite appears. The cracking of the pyramid shaft is mainly due to the stress concentration or collision at work, which leads to cracks in the surface layer. Then it begins to spread in the other direction, resulting in the cracking of the pyramid shaft.

The characteristics of this paper are as follows: the quenching process is simulated by finite element method, and the microstructure and properties after quenching are predicted by CCT curve. 

Key Words：Finite element; Temper shaft; quenching; Temperature field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究的主要内容与技术路线 3

第2章 淬火基本原理及数值模拟相关理论 5

2.1 淬火过程的温度场 5

2.1.1 温度场的控制方程 5

2.1.2 温度场的初始条件 6

2.1.3 温度场的边界条件 6

2.2 淬火时的组织转变 6

2.3 所选材料淬火时的主要热物性参数 7

2.4 有限元法在数值计算中的应用 8

2.4.1 有限元法的简介 8

2.4.2有限元软件ABAQUS 8

第3章 基于ProE、ABAQUS的淬火过程的模拟 10

3.1 有限元模型的建立 10

3.1.1 三维有限元模型的建立 10

3.1.2 网格的划分 11

3.1.3 边界条件的确定 11

3.2 温度场的模拟计算 12

3.2.1 模拟计算中各项性能参数 12

3.2.2 温度场的模拟计算结果 12

第4章 平整机轴淬火过程的模拟结果分析 15

4.1 平整机轴淬火过程中温度分布分析 15

4.2 平整机轴淬火过程中组织转变分析 18

4.2.1 所选用材料的组织转变 18

4.2.2 不同材料的组织转变 21

第5章 结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

我国是一个钢铁大国，是世界上钢铁的产能以及产量最大的国家，近年来我国的钢铁产量以每年25％～35％速度连续增加，多年排名在世界第一^［1,2］。随着国民经济的不断发展以及现代化进程的不断推进，与之相关的板带材料的需求量也随之增加，因此板带材质量的好坏成为了关键。汽车，建筑行业，家用电器，军工航空航天，电子产业等领域对板带材的需求量较大，因此板带材的产量与质量是一个国家衡量其钢铁工业水平的重要指标。同时板带材的加工生产也成为钢铁工业发展的重要研究课题。其质量的好坏直接影响了其在工业中的应用^[3]。

平整在其带钢生产中起着至关重要的作用，其作用主要表现在：（1）使带钢表面的粗糙度达到要求^[4]；（2）消除屈服平台，防止带钢在拉伸或深冲时出现滑移线^[5]；（3）改善其板形，使带钢表面更加平展；（4）如有涂层，则可以使涂层与带钢结合更加牢固。

而平整这一生产过程主要由平整机组来完成^[6]，因此机组中设备机械性能的好坏以及工作寿命的长短自然就成了钢铁行业主要的研究方向。平整机组中，开卷机是其主要设备，开卷机主要用于开卷带卷，给平整机供料，并在生产时产生后张力。平整机组的稳定高效生产，作业率的增加都是由开卷机的好坏所决定的。而棱锥轴又是开卷机中的关键零部件。开卷机主要是通过承受很大的张力以降低轧制压力，减少带钢的翘曲现象来提高带钢的质量。因此，棱锥轴受力较大，容易断裂失效^[7]。而其棱锥轴在服役时发生了过早断裂，不仅给企业带来比较大的直接经济损失，而且对正常的生产运行产生很大的影响。因此对该轴的淬火冷却过程进行有限元分析，模拟出该轴在热处理时的淬火冷却温度场，并应用该钢种的CCT曲线，预测其淬火后的组织和性能。可以结合实际的金相组织和硬度分布，对选用的材料和工艺对该轴断裂产生的影响进行研究，并提出改进意见，减少相关的损失，并减小对相关生产活动的影响。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

国内目前的研究主要集中在两个方面，一是有关平整机组开卷机关键部位的设计及失效分析（有限元分析），二是其他零件的淬火有限元分析。目前国内对平整机轴的淬火有限元分析研究较少。

（1）平整机组开卷机关键部位的设计及失效分析的研究：

梅如敏、余军^[8]通过对卷取机芯轴相关断裂事故的原因进行分析研究。同时，采用有限元的分析方法，对造成相关事故的主要原因进行对比分析研究。以此为基础，对芯轴的修复以及设计提供了参考。

王岩^[9]使用workbench软件，利用有限元的分析方法对其开卷机装配体中重要的零部件主轴和扇形板进行了分析，并根据相关的研究分析所得出的结果提出了一些改进的意见，使其在满足工作条件的情况下节省材料，减轻相关的经济成本。

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