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        7050鋁合金柱件淬火及深冷過程變形預測*

        2022-11-25 11:19:38龔利華劉存平
        現(xiàn)代機械 2022年5期
        關鍵詞:變形

        龔利華,楊 越,劉 勇,劉存平

        (宜賓職業(yè)技術學院智能制造學院,四川 宜賓 644003)

        超高強7050鋁合金需要經(jīng)過最后一道固溶時效熱處理工藝提高綜合性能。但固溶后的淬火過程引入較大的內(nèi)應力,內(nèi)應力總有向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢,使材料從外層到中心內(nèi)部性能不穩(wěn)定,而后期時效處理對應力消除效果也不明顯[1],進而造成開裂、翹曲、變形等,縮短壽命[2]。因此,有必要對淬火及其消除工藝過程中的應力變形進行分析。

        目前,對殘留材料內(nèi)部的應力測量較困難,且測量時間長,測量價格較高,而數(shù)值分析軟件已大量應用于材料內(nèi)應力的分析,且分析結果可靠[3]。深冷處理對材料殘留的內(nèi)應力消除效果較好,其工藝為淬火后放入-196 ℃液氮,再經(jīng)過沸水或更高溫度的鹽浴處理[4-6],形成與淬火后過程內(nèi)外相反的溫差,與淬火殘留的拉壓內(nèi)應力相反,從而抵消大部分殘留內(nèi)應力。由于柱形棒料為多數(shù)鋁合金鑄件的初始形狀,本文以7050鋁合金柱形為研究對象,采用數(shù)值分析軟件Abaqus,預測淬火后的內(nèi)應力與變形量,并分析深冷處理后的內(nèi)應力與變形量,以提高柱件材料使用穩(wěn)定性。

        1 熱處理數(shù)值分析的基本方程

        熱處理過程后的內(nèi)應力與變形均為溫差造成的不均勻收縮導致,因此數(shù)值過程需進行溫度求解。若材料各向同性,根據(jù)能量守恒定律,可以得出分析瞬態(tài)熱傳導的基本方程(基于三維直角坐標系):

        (1)

        其中,λ—熱傳導系數(shù)(w/m/℃);Q—內(nèi)熱源熱流密度(J/kg);ρ—密度(kg/m3);cp—定壓比熱容(J/kg/℃);t—時間(s);淬火冷卻時,工件溫度T隨淬火過程進行不斷變化,而ρ、cP、Q、λ與T相關。由于鋁合金淬火第二相析出量很少,分析時,Q≈0。

        已知(1)式初始條件下的溫度分布,以及溫度或換熱邊界條件,可以求解熱處理過程溫度場。

        初始條件t=0時刻表達式:

        (2)

        給定物體某一邊界條件上的輻射換熱,對流換熱條件:

        q=HC·(T-T∞)+HS·(T-T∞)

        =H∑·(T-T∞)

        (3)

        其中:H∑=HC+HS;q—通過邊界的熱量密度;T∞為介質(zhì)溫度;HC—間對流換熱系數(shù)(工件—介質(zhì));HS—與環(huán)境的輻射換熱系數(shù)。

        由微小彈塑性變形理論,總應變包括以下幾部分:

        ε=εe+εp+εth+ε0+εtr

        (4)

        式中:εe—彈性應變張量;εp—塑性應變張量;εth—熱應變張量;ε0—附加應變張量;εtr—相變塑性應變張量,忽略相變,εtr≈0。

        2 淬火過程數(shù)值模擬模型建立

        提高固溶溫度有利于粗大第二相的溶解,提高時效析出動力,當固溶溫度達到482 ℃時,合金中的s相幾乎全部溶解[7]。本文柱件模擬固溶溫度確定為482 ℃,淬火至室溫(25 ℃)水中。鋁合金實際淬火變形較小,其產(chǎn)生的熱量也相對較少。可采用順序耦合分析淬火過程,即將求解出的溫度場分布作為已知條件,導入柱件進行熱應力分析,最后得到淬火應力和變形,分析過程為:熱分析→溫度場→熱應力→殘余應力,變形。

        由柱件結構特點,模擬分析其2D軸對稱模型。建立的分析模型與網(wǎng)格如圖1,熱傳導、應力應變單元分析分別采用DCAX4、CAX4R,分析過程中采用相同的網(wǎng)格劃分。為了使模擬過程變形與內(nèi)應力更可靠,模擬過程中隨溫度變化的熱物性參數(shù)必須準確輸入。其熱膨脹系數(shù)通過熱處理分析儀測量,熱膨脹曲線如圖2所示,其他熱物性能及力學性能參數(shù)均參考文獻[9-10]。

        圖1 7050鋁合金柱件分析模型

        圖2 7050鋁合金熱膨脹系數(shù)

        3 淬火數(shù)值模擬結果與分析

        淬火后殘留于柱件的內(nèi)應力沿徑向、軸向、環(huán)向分別為σr、σz、σt,其大小及分布特征如圖3所示。從圖可以看出,柱件表層的內(nèi)應力受壓,其值高達229.3 MPa,從表層到中心,壓應力逐漸減小,拉應力逐漸增加。沿徑向內(nèi)應力、軸向內(nèi)應力、σ環(huán)向內(nèi)應力變化范圍分別為-211~118 MPa (圖3(a)),-222~207 MPa (圖3(b))、-221~121 MPa(圖3(c))。

        圖3 沿r、z、t方向的殘余應力分布

        沿分析模型軸向(OA)、徑向(OB)兩個方向,淬火及深冷處理后的變形量如表1,由表可以看出,由心部到表層,軸徑兩方向材料收縮量逐漸增大,軸向表層收縮量高達0.500 mm,徑向收縮量高達0.254 mm。若柱件材料各向同性,利用分析得到的熱膨脹系數(shù),計算淬火時由T0到T1軸、徑兩個方向的變形量,理論計算公式如下:

        表1 淬火及深冷處理后沿OA、OB方向的變形量

        ΔL=L0αT(T0-T1),ΔR=R0αT(T0-T1)

        (5)

        其中,L0、R0分別為初始時刻試樣長度、半徑,平均線膨脹系數(shù)為αT。

        固溶溫度為482 ℃,淬火溫度為室溫(25 ℃)時,按式(5)理論計算得到軸向(OA)、徑向(OB)兩個方向變形量分別為:ΔL=0.480 mm,ΔR=0.240 mm,與模型仿真相近。

        整個淬火過程應力演變?nèi)鐖D4。主要包括三個階段,第一階段為剛淬火時,整個柱件溫度較高,處于塑性變形狀態(tài),且表層金屬溫降速率明顯高于心部,形成圖4(a)所示的表層受拉心部受壓的狀態(tài),此時無內(nèi)應力殘留于金屬內(nèi)部。第二階段為柱件尺寸產(chǎn)生改變的階段,當表層溫度降至彈性狀態(tài),材料強度提高,中心溫度處于塑性狀態(tài)時,仍可產(chǎn)生收縮變形,此時仍無內(nèi)應力殘留,如圖4(b)。在第三個階段,表層與心部溫度均降至彈性變形狀態(tài),隨著淬火的進行,心部溫度溫降梯度更高,心部收縮受到表層金屬的阻礙,整個柱件產(chǎn)生變形,呈現(xiàn)表層受壓,心部受壓的殘留內(nèi)應力狀態(tài),如圖4(c)。

        圖4 淬火時應力演變簡圖

        4 深冷處理數(shù)值分析結果與分析

        對淬火后的柱件進行深冷處理,首先在侵入-196 ℃的液氮中,保溫30 min,然后在200 ℃水浴中保溫15 min,沿軸向(OA)、徑向(OB)兩個方向殘留內(nèi)應力變化如圖5所示,可以看出,深冷處理可有效消除柱件殘留內(nèi)應力和變形量。軸向的殘留內(nèi)應力較大,為z、t方向,其中σz=σt,如圖5(a)。深冷處理后σr、σz應力大小范圍從0.4~207 MPa,-211.3~93 MPa降低為0.2~154.9 MPa,-102.6~66.5 MPa,徑向方向的殘留內(nèi)應力σr、σz、σt分別從4.3~92.7 MPa,-216.3~207.1 MPa,-216.3~92.7 MPa下降至1.92~66.5 MPa,-106.3~154.9 MPa,-94.3~66.5 MPa,如圖5(b)。表層壓應力由211.3 MPa降低至106.5 MPa最大消除量達51%,而心部最大拉應力消除量為28%。深冷處理后收縮變形如表1所示,其軸向最大變形量從0.500 mm下降到0.3320 mm,徑向最大收縮量從0.254 mm下降到0.165 mm,變形量分別減少33.6%、35%。

        圖5 淬火后與深冷處理后r,t,z方向殘余應力對比

        深冷處理過程和淬火過程應力演變原理相似,深冷處理時溫度由-196 ℃提高至200 ℃,溫差較大,高達396 ℃。而金屬表層和心部溫差與淬火時相反,深冷時形成內(nèi)壓外拉的應力。因此,可以抵消部分淬火殘余應力,徑向軸向兩個方向的收縮量也相應降低。

        5 結論

        1)建立7050鋁合金柱件淬火過程2D分析模型,模擬出柱件殘留于內(nèi)部的應力大小及分布情況,在柱件表面應力狀態(tài)呈現(xiàn)壓應力狀態(tài),其值高達211 MPa;從表層到心部,應力狀態(tài)由壓變?yōu)槔?,心部的拉應力最大,軸向方向達到207 MPa。

        2)根據(jù)熱分析儀測量結果,擬合得到鋁合金熱膨脹系數(shù)與溫度的曲線,由測量熱膨脹系數(shù)計算柱件軸向和徑向方向變形量,其中ΔL=0.480 mm,ΔR=0.240 mm,與模型仿真相近。

        3)7050鋁合金柱件深冷處理后,表面殘留的壓應力消除量最高可達51%,心部殘留的拉應力為28%。沿軸方向最大收縮量從0.500 mm減少到0.332 mm,徑向收縮則從0.254 mm減少到0.165 mm,深冷處理對殘余應力及收縮變形有一定改善。

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