郁昕

摘要：可熱處理鋁合金通過(guò)淬火操作獲得其高強(qiáng)度，但同時(shí)因?yàn)榇慊鸩僮饕肓藲堄鄳?yīng)力。這些內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂，并引起復(fù)雜鍛件和機(jī)械加工件的變形。因此，研究淬火過(guò)程中的傳熱過(guò)程顯得非常重要。本文通過(guò)測(cè)量?7449?鋁合金在不同淬火劑中的熱傳遞系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過(guò)使用淬火過(guò)程中的時(shí)間-溫度曲線建立了一維有限元模型，來(lái)計(jì)算熱傳遞系數(shù)。使用軟件?INTEMP?來(lái)解決逆熱傳導(dǎo)問(wèn)題。同時(shí)對(duì)淬火過(guò)程中不同表面條件對(duì)熱傳遞的影響進(jìn)行了研究。由于液體與表面之間存在短暫的蒸汽膜，在過(guò)渡態(tài)沸騰區(qū)液體的進(jìn)入受到了很大的限制。

關(guān)鍵詞：7449?鋁合金;熱傳遞系數(shù);表面粗糙度

1.?簡(jiǎn)介

鋁由于其高的強(qiáng)度-重量比和高耐腐蝕性成為幾乎所有航空航天結(jié)構(gòu)的理想選擇。鋁合金被廣泛應(yīng)用于需要經(jīng)受巨大應(yīng)力并且?guī)缀醪辉试S失效的情況，特別是航空航天工業(yè)。7449?鋁合金是一種鋁鎂鋅銅鋯合金，強(qiáng)度很高。7449?鋁合金最適合用于需要極高強(qiáng)度的鍛造和機(jī)加工零件，尤其是承受壓縮力的零件，如機(jī)翼上部結(jié)構(gòu)。要制造強(qiáng)化合金件，大部分析出硬化型鋁合金依靠從溶液熱處理溫度（約?470℃）快速?（>100?K/s）?冷卻下來(lái)，以抑制過(guò)大的第二相形成。冷水作為浸入或者噴灑淬火劑可以產(chǎn)生盡可能大的熱梯度，從機(jī)械特性的角度來(lái)看是理想的淬火劑。但是，強(qiáng)烈的熱梯度會(huì)導(dǎo)致不均勻的塑性變形。據(jù)報(bào)道，這種情況出現(xiàn)在450℃-300℃?的溫度范圍內(nèi)。在厚的組件如板和大型鍛件中，塑性變形會(huì)導(dǎo)致表層的壓縮應(yīng)力，以及與之平衡的次表層的拉伸大應(yīng)力。所以，研究淬火過(guò)程是極為重要的，尤其是淬火過(guò)程中的熱傳遞系數(shù)。

如圖?1?所示，可以將淬火過(guò)程分為四個(gè)不同的區(qū)間：

1.1?單相區(qū)?—?在這個(gè)區(qū)間，溫差很低，熱傳遞速度緩慢;

1.2?核沸騰區(qū)?—?通過(guò)蒸汽氣泡將熱量從金屬表面帶走，蒸汽氣泡在成核點(diǎn)開(kāi)始形成。這個(gè)區(qū)間的熱傳遞非常快，其熱傳遞機(jī)制比較復(fù)雜;

1.3?過(guò)渡區(qū)?—?在熱表面上形成氣泡速度很快，以致開(kāi)始形成一個(gè)蒸汽膜，類似毯子。蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)小于核沸騰區(qū)域中的液體，從而導(dǎo)致熱通量降低。當(dāng)蒸汽膜變得不穩(wěn)定，而無(wú)法完成持續(xù)的熱傳遞時(shí)，過(guò)渡區(qū)沸騰結(jié)束;

1.4膜態(tài)沸騰區(qū)?—?表面已經(jīng)變得完全被蒸汽膜所覆蓋，熱量完全通過(guò)蒸汽膜傳到。隨著溫度的升高以及隨之而來(lái)的熱傳遞速率的增加，輻射熱傳遞起著越來(lái)越重要的作用。

圖?1?小質(zhì)量金屬淬火沸騰曲線

當(dāng)無(wú)法測(cè)量整個(gè)溫度場(chǎng)時(shí)，通過(guò)幾個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量是相對(duì)容易的。然后，構(gòu)建一個(gè)非線性有限元模型來(lái)估算表面熱通量和計(jì)算表面的熱傳遞系數(shù)。這需要利用一個(gè)非線性、一維、逆熱傳導(dǎo)計(jì)算機(jī)程序?INTEMP?來(lái)完成。

2.?實(shí)驗(yàn)

兩個(gè)?105mmx105mmx15mm?的塊被從一個(gè)?1250mmx480mmx75mm的7449?鍛件切下。在兩個(gè)塊的中心分別鉆一個(gè)??1.5mm?的孔，用來(lái)插入?1.5mm?外徑的熱電偶（‘k?型）。對(duì)于塊A，105mmx105mm的非切割表面未做處理?？椎纳疃葹?14.5mm。只留出?0.5mm?厚作為接收表面。然后，從同一側(cè)鉆出一個(gè)更大的同心孔?（=??8.4mm）?以裝入封頭。隨后，敲入封頭以將其安裝。使用封頭可以保證熱電偶和鉆孔底部之間接觸良好，同時(shí)也可以防止水在淬火過(guò)程中進(jìn)入孔。對(duì)于塊B，打磨非切割表面。先用?P250?研磨紙打磨，然后用?P600?研磨紙拋光。用與前面提到的相同方式固定熱電偶（圖?2）。將兩個(gè)塊分別在炭加熱爐中以?472℃?加熱?30?分鐘以上，使整個(gè)塊的溫度均勻分布。然后，將兩個(gè)塊分別使用有攪拌以及無(wú)攪拌的淬火油、鹽、和不同溫度的水進(jìn)行淬火。使用了大量淬火劑以防止在淬火過(guò)程中淬火劑溫度大幅升高。監(jiān)測(cè)時(shí)間-溫度變化，并使用?Labview?的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以?10Hz?的頻率記錄監(jiān)控到的情況。將這些時(shí)間-溫度變化作為已知條件輸入?INTEMP。從這些已知條件估算表面溫度，然后利用?INTEMP?計(jì)算表面熱傳遞系數(shù)。

3.?熱傳遞系數(shù)計(jì)算

INTEMP?可以求解線性或非線性逆熱傳導(dǎo)問(wèn)題?？梢允褂靡痪S或二維有限元、集總電容-熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或兩者的組合構(gòu)建熱模型。將不同節(jié)點(diǎn)處的溫度-時(shí)間變化數(shù)據(jù)輸入，INTEMP?求解任意指定位置的熱流量。

3.1?分析公式

INTEMP?使用以下兩種非線性熱傳導(dǎo)模型：

Crank-Nicolson公式

（Ci?+?Kih/2）Ti+1?=（Ci?+?Kih/2）Ti?+?hqi?+?hPfi

Fully?Implici公式

（Ci?+?Kih）Ti+1?=?（Ci）Ti+?hqi?+?hPfi

其中，T?是一個(gè)向量?（nx1），代表節(jié)點(diǎn)溫度;Ki?是一個(gè)包含空間變量的數(shù)學(xué)表達(dá)式的對(duì)稱?（nxn）?傳導(dǎo)矩陣;Ci?是熱容矩陣（對(duì)角）。qi?是代表已知熱通量的一個(gè)矢量，fi?是代表未知熱通量的一個(gè)矢量?（ngx1），P?是一個(gè)熱通量參數(shù)矩陣?（nxng），而?h?為積分步長(zhǎng)。矩陣?Ci?和?Ki?可隨溫度變化而變化。如果這樣的話，使用溫度?Ti?來(lái)給出二者的值。

3.2?模型構(gòu)建

構(gòu)建了一個(gè)一維模型來(lái)計(jì)算?7449?鋁合金的熱通量和熱傳遞系數(shù)。因?yàn)?05mmx105mmx15mm?塊的長(zhǎng)度和寬度相比其厚度大很多，表面中心的熱被認(rèn)為僅在一個(gè)方向上流失：垂直于該表面，并從中心指向該表面。使用?21?個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建該模式。這些節(jié)點(diǎn)距離中心?0.375mm?并從中心編號(hào)。（圖2），點(diǎn)?C?為熱電偶的末端位置，從此處獲得位置-溫度變化。

圖?2?模型構(gòu)建

材料的比熱容值?Cρ、導(dǎo)熱系數(shù)?k?和密度?ρ?隨溫度函數(shù)而變化，并且均可從文獻(xiàn)中找到?？墒褂靡韵碌仁接?jì)算熱傳遞系數(shù)?h：

h=q?/?（Twall-T∞）

其中，q?為表面熱通量，Twall?是表面溫度，而?T∞?是指淬火劑溫度。

4.?結(jié)果與討論

圖?3?淬入不同淬火劑的塊A冷卻曲線

圖?3?顯示淬入不同淬火劑的塊A冷卻曲線。帶攪拌或不帶攪拌淬入冷水以及淬入?60℃?的溫水中的曲線看起來(lái)很相似，但淬入?60℃?水中的曲線冷卻慢一點(diǎn)。淬入到?80℃?水中的冷卻曲線在高溫?（>400°C）?時(shí)下降相對(duì)緩慢。然后曲線變得很陡，直到樣本溫度接近淬火劑溫度。這可能是在淬火開(kāi)始時(shí)短周期出現(xiàn)的“蒸汽膜”所造成的。對(duì)于沸騰淬火，這種現(xiàn)象更明顯，時(shí)間更長(zhǎng)。冷卻曲線走勢(shì)緩慢，直到溫度達(dá)到?250°C?左右。這個(gè)溫度已經(jīng)超過(guò)了淬火的關(guān)鍵溫度范圍。對(duì)于油淬和鹽浴，曲線一直緩慢下降，開(kāi)始時(shí)的短時(shí)間內(nèi)相對(duì)較快。

圖?4?帶攪拌或不帶攪拌淬入冷水的塊A熱傳遞系數(shù)

從冷卻曲線可以看出（圖?4），帶攪拌或不帶攪拌淬入冷水的塊A熱傳遞系數(shù)顯示沒(méi)有大的差異。這是因?yàn)槔鋮s過(guò)程相比水流動(dòng)的速度來(lái)說(shuō)，要快得多。因此，攪拌不會(huì)明顯影響熱傳遞。

圖?5?淬入不同淬火劑中的塊A的熱傳遞系數(shù)

圖?5?顯示了在不同淬火劑中獲得的熱傳遞系數(shù)。對(duì)于油淬和鹽浴，他們只在開(kāi)始時(shí)給出現(xiàn)了一個(gè)峰值。對(duì)于在不同溫度下淬入水中的樣品，隨水溫增高，熱傳遞系數(shù)數(shù)值下降。對(duì)于冷水淬火，在溫差為大約?210K?時(shí)獲得峰值，大約為?21000?W/m2·K。將塊A淬入?60°C?的水中時(shí)，在低溫差值時(shí)，約為?150?K，得到14500?W/m2·K的峰值。當(dāng)水溫上升到?80°C?時(shí)，熱傳遞系數(shù)值較低。而峰值出現(xiàn)在更低的溫差值處。然而，對(duì)于沸水淬火，在整個(gè)周期的熱傳遞值都相當(dāng)?shù)停敝脸霈F(xiàn)了一個(gè)峰值?？偟膩?lái)說(shuō)，這是因?yàn)閷悠反闳敕兴袝r(shí)形成的蒸汽膜造成的。同時(shí)，可以看出，所有的峰值均發(fā)生在核沸騰階段。

圖?6?淬入不同淬火劑中的塊B的熱傳遞系數(shù)

圖?6?示出了淬入不同溫度的水中時(shí)獲得的塊B的熱傳遞系數(shù)曲線。所有的曲線均顯示了與塊A相同的趨勢(shì)，但有更高的值，冷水除外。塊B冷水淬火的熱傳遞系數(shù)曲線顯示與塊A沒(méi)有大的區(qū)別。這主要是因?yàn)樵诜序v階段，表面粗糙度對(duì)從金屬表面?zhèn)鬟f熱量方面有重要影響。核沸騰階段沸騰區(qū)對(duì)表面狀況的敏感是由于液體直接接觸表面。由于液體與表面之間存在短期的蒸汽膜，在過(guò)渡態(tài)沸騰區(qū)液體與金屬表面的接觸受到很大限制。導(dǎo)致了小于蒸汽膜厚度的任何表面粗糙度將無(wú)法有效促進(jìn)成核。對(duì)于冷水淬火，由于金屬塊的質(zhì)量小，塊冷卻的速度很快，可能沒(méi)有足夠的時(shí)間形成一個(gè)足夠厚的蒸汽膜來(lái)影響冷卻速度。這可能就是兩個(gè)塊的冷水淬火的熱傳遞系數(shù)為什么看起來(lái)相似的原因。然而，當(dāng)表面粗糙度的影響不能忽略時(shí)，這種蒸汽膜在膜態(tài)沸騰過(guò)程中是持續(xù)存在的。這在圖?7?中有所展示。

圖?7?示意淬火過(guò)程中表面材質(zhì)對(duì)蒸汽階段和核沸騰階段的影響：①?兩個(gè)表面的蒸汽相階段?②?光滑表面的成核沸騰階段以及粗糙表面的成核沸騰和蒸汽相階段，以及?③?兩個(gè)表面的成核沸騰。

5.?結(jié)論

5.1?利用?INTEMP?計(jì)算的熱通量表明，在所有淬火劑中兩種表面的峰值熱通量均出現(xiàn)在核沸騰階段。

5.2?當(dāng)以不同溫度淬入水（冷水除外）中時(shí)拋光表面給出更高的熱傳遞系數(shù)值。

5.3?熱傳遞系數(shù)數(shù)據(jù)表明，淬火期間不應(yīng)忽略樣品表面狀態(tài)的影響。