齊同街，吳道祥

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

鋁合金構(gòu)件經(jīng)固溶處理后，必須經(jīng)過快速淬火才能避免脫溶析出，獲得高過飽和度的固溶體，為時(shí)效提高合金的強(qiáng)度奠定基礎(chǔ)[1]。一般來說，采用較快的淬火速率可以使材料達(dá)到較高的強(qiáng)度，獲得強(qiáng)度與韌性的最佳組合。然而在淬火過程中，由于工件快速冷卻，工件外表面與心部的冷卻速度不一致，存在較大的溫度梯度，使得材料冷卻收縮不均勻，在工件中產(chǎn)生嚴(yán)重的淬火殘余應(yīng)力[2-4]。殘余應(yīng)力的存在會(huì)極大地影響工件的加工性能、疲勞壽命以及耐蝕性能等。

近年來，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，通過數(shù)值模擬技術(shù)可以對合金構(gòu)件淬火過程每一瞬時(shí)的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算與觀測。本文通過采用數(shù)值模擬技術(shù)，探索某飛機(jī)旅客觀察窗窗框鍛件淬火過程殘余應(yīng)力大小、分布及規(guī)律，為后期的殘余應(yīng)力消減工藝奠定基礎(chǔ)。

1 淬火過程數(shù)值模擬分析基本理論

1.1 假設(shè)條件

鋁合金構(gòu)件淬火是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，影響因素眾多，可抓主要矛盾簡化問題，因此提出如下假設(shè)：（1） 構(gòu)件各部分為連續(xù)均勻的且為各向同性材料；（2）由于熱輻射傳熱機(jī)理研究尚不成熟，且熱輻射在熱量傳遞中的作用不大，主要考慮熱對流傳熱過程；（3） 在淬火過程中工件各個(gè)表面與淬火介質(zhì)同時(shí)接觸，且假定淬火介質(zhì)足夠多，溫度保持不變；（4） 鋁合金不考慮相變和化學(xué)變化產(chǎn)生的應(yīng)力對熱應(yīng)力影響，只考慮溫度場引起的熱應(yīng)力變化。

1.2 淬火過程溫度場數(shù)學(xué)模型

構(gòu)件淬火時(shí)的熱傳導(dǎo)過程一般用反映傳熱體與環(huán)境換熱關(guān)系的邊界條件和熱傳導(dǎo)通用方程描述。根據(jù)能量守恒定律及傅立葉傳熱定律，得到構(gòu)件淬火時(shí)傳熱過程材料的瞬態(tài)溫度場T （x，y，z，t）方程[5]：

邊界條件：

（1）第一類邊界條件：

（2）第二類邊界條件：（3）第三類邊界條件：

式中，T為瞬時(shí)溫度，T0為初始溫度，Tw、Tc分別為工作表面溫度和介質(zhì)溫度，λ表示材料的導(dǎo)熱系數(shù)，Cp表示比熱容，ρ為密度，t為時(shí)間，Q為材料內(nèi)部熱源強(qiáng)度（即相變潛熱和塑性功生成熱），n為方向余弦，q0為熱流密度，Hf為總的換熱系數(shù)。

由于淬火過程中工件外表面溫度變化劇烈，無法采用第一種邊界條件，而第二類邊界條件與第三類邊界條件本質(zhì)上是等價(jià)的，而且材料表面與介質(zhì)的換熱系數(shù)是由實(shí)驗(yàn)測得的隨溫度變化的數(shù)值，因此工程實(shí)際應(yīng)用中一般采用第三類邊界條件。

1.3 淬火過程應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型

對于鋁合金構(gòu)件淬火過程熱應(yīng)力問題，構(gòu)件在淬火時(shí)的溫度變化會(huì)影響合金相關(guān)的材料屬性及熱物理特性（如熱脹冷縮），在已知合金材料熱力學(xué)性能參數(shù)及溫度場分布的情況下，可求出合金構(gòu)件淬火時(shí)的應(yīng)力場分布。

假設(shè)材料內(nèi)部某區(qū)域存在溫差ΔT(x,y,z)，那么這個(gè)溫差將引起變形，其膨脹量為αTΔT(x,y,z)（αT為材料熱膨脹系數(shù)），則該區(qū)域的物理方程將增加溫度應(yīng)變（熱膨脹量）[5]：

其中：

由以上公式可計(jì)算出合金構(gòu)件淬火過程中的熱應(yīng)力，當(dāng)構(gòu)件某區(qū)域熱應(yīng)力值超過該材料的屈服點(diǎn)后，在該區(qū)域合金材料就會(huì)產(chǎn)生一定量無法彈性回復(fù)的塑性變形，此時(shí)在該區(qū)域的相鄰位置會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力平衡其塑性應(yīng)力，這種產(chǎn)生的自平衡應(yīng)力即為殘余應(yīng)力。

2 淬火過程有限元模型

2.1 有限元模型的建立

采用FORGE 軟件作為數(shù)值模擬平臺，利用彈塑性有限元模型對窗框鍛件淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 材料參數(shù)

設(shè)定構(gòu)件淬火溫度為470 ℃、冷卻介質(zhì)為水（水溫為20 ℃）、泊松比為0.33。7050鋁合金主要的熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)和表面換熱系數(shù)分別如表1[6]、表2[7]和表3[8]所示，三個(gè)表的參數(shù)都隨著溫度的變化而呈非線性變化?？紤]構(gòu)件在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中與空氣間的熱交換，熱交換系數(shù)為200 W/m2·℃[9]。

表1 7050鋁合金熱物性參數(shù)

表2 7050鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

表3 7050鋁合金水淬表面換熱系數(shù)

3 淬火過程模擬仿真結(jié)果

3.1 溫度場模擬結(jié)果及分析

鍛件的鍛后熱處理主要經(jīng)過如下幾個(gè)階段：加熱到固溶溫度477 ℃、固溶一段時(shí)間后轉(zhuǎn)運(yùn)2 s、淬火到室溫20 ℃等。主要轉(zhuǎn)運(yùn)及淬火時(shí)溫度變化如圖2 所示。加熱及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，鍛件傳熱介質(zhì)為空氣，熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，但由于零件較薄，當(dāng)加熱270 s 后，鍛件整體溫度達(dá)到477 ℃，溫度變化較快；鍛件轉(zhuǎn)運(yùn)2 s，溫度下降到455～464 ℃左右，變化較大；鍛件淬火開始時(shí)，溫度變化較劇烈，淬火0.5 s 后，鍛件筋頂表面溫度下降到134 ℃以下，鍛件心部溫度為191～249 ℃左右，內(nèi)外溫差較大。當(dāng)淬火時(shí)間為2.5 s 時(shí)，鍛件溫度進(jìn)一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火時(shí)間達(dá)到20 s 后，鍛件整體溫度降到水溫20 ℃。其中，淬火時(shí)間為0.5 s 左右時(shí)鍛件內(nèi)外溫度差最大，淬火時(shí)間達(dá)到1.5 s時(shí)，內(nèi)外溫差極小。由于淬火時(shí)鍛件內(nèi)外溫度差的不斷變化，鍛件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)及淬火過程鍛件溫度分布

3.2 應(yīng)力場模擬結(jié)果及分析

在淬火過程中，由于表層金屬的快速冷卻使鍛件內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致在淬火結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生分布不均的內(nèi)應(yīng)力（主要為熱應(yīng)力）。圖3 為轉(zhuǎn)運(yùn)后應(yīng)力分布及淬火后空冷至室溫的鍛件殘余應(yīng)力分布。鍛件轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，由于傳熱介質(zhì)為空氣，傳熱較慢，鍛件產(chǎn)生應(yīng)力較小，不管是鍛件截面的橫向方向還是縱向方向，其應(yīng)力分布較為均勻，且應(yīng)力值均在±0.1 MPa 范圍內(nèi)。而鍛件較薄時(shí)，溫度變化加快，鍛件淬火后殘余應(yīng)力增加到±50 MPa內(nèi)，整體殘余應(yīng)力分布主要為外部壓應(yīng)力和內(nèi)部拉應(yīng)力。其中四個(gè)典型截面中截面D-D 變化最大，其表層的橫向壓應(yīng)力最大為48 MPa，心部橫向拉應(yīng)力最大為51.3 MPa；表層的縱向壓應(yīng)力最大為14.4 MPa，心部縱向最大拉應(yīng)力為8.66 MPa。整個(gè)鍛件的殘余應(yīng)力都較小，分析其原因主要為，鍛件較薄，淬火時(shí)傳熱較快，鍛件整體冷卻較快，表層及心部溫度梯度較小，從而導(dǎo)致鍛件在淬火后殘余應(yīng)力較小。因此，在該類鍛件淬火時(shí)應(yīng)主要注意其變形情況。

圖3 鍛件殘余應(yīng)力變化

4 結(jié)論

（1） 建立了某飛機(jī)旅客觀察窗窗框鍛件淬火過程溫度場及應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型，采用有限元數(shù)值模擬軟件模擬了鍛件淬火過程溫度場及應(yīng)力場的分布。

（2） 鍛件淬火開始時(shí)，溫度變化較劇烈，淬火0.5 s 后，鍛件筋頂表面溫度下降到134 ℃以下，鍛件心部溫度為191～249 ℃左右，內(nèi)外溫差較大。當(dāng)淬火時(shí)間為2.5 s 時(shí)，鍛件溫度進(jìn)一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火20 s 后，鍛件整體溫度降到水溫20 ℃。其中，淬火時(shí)間為0.5 s 左右時(shí)鍛件內(nèi)外溫度差最大，淬火時(shí)間達(dá)到1.5 s 時(shí)，內(nèi)外溫差極小。

（3） 鍛件淬火后殘余應(yīng)力在±50 MPa內(nèi)，整體殘余應(yīng)力分布主要為外部壓應(yīng)力和內(nèi)部拉應(yīng)力，整體鍛件殘余應(yīng)力較小。