7050铝合金柱件淬火及深冷过程变形预测*

2022-11-25龚利华刘存平

现代机械 2022年5期

龚利华，杨越，刘勇，刘存平

(宜宾职业技术学院智能制造学院，四川宜宾 644003)

超高强7050铝合金需要经过最后一道固溶时效热处理工艺提高综合性能。但固溶后的淬火过程引入较大的内应力，内应力总有向平衡态转变的趋势，使材料从外层到中心内部性能不稳定，而后期时效处理对应力消除效果也不明显[1]，进而造成开裂、翘曲、变形等，缩短寿命[2]。因此，有必要对淬火及其消除工艺过程中的应力变形进行分析。

目前，对残留材料内部的应力测量较困难，且测量时间长，测量价格较高，而数值分析软件已大量应用于材料内应力的分析，且分析结果可靠[3]。深冷处理对材料残留的内应力消除效果较好，其工艺为淬火后放入-196 ℃液氮，再经过沸水或更高温度的盐浴处理[4-6]，形成与淬火后过程内外相反的温差，与淬火残留的拉压内应力相反，从而抵消大部分残留内应力。由于柱形棒料为多数铝合金铸件的初始形状，本文以7050铝合金柱形为研究对象，采用数值分析软件Abaqus，预测淬火后的内应力与变形量，并分析深冷处理后的内应力与变形量，以提高柱件材料使用稳定性。

1 热处理数值分析的基本方程

热处理过程后的内应力与变形均为温差造成的不均匀收缩导致，因此数值过程需进行温度求解。若材料各向同性，根据能量守恒定律，可以得出分析瞬态热传导的基本方程(基于三维直角坐标系)：

(1)

其中，λ—热传导系数(w/m/℃)；Q—内热源热流密度(J/kg)；ρ—密度(kg/m3)；cp—定压比热容(J/kg/℃)；t—时间(s)；淬火冷却时，工件温度T随淬火过程进行不断变化，而ρ、cP、Q、λ与T相关。由于铝合金淬火第二相析出量很少，分析时，Q≈0。

已知(1)式初始条件下的温度分布，以及温度或换热边界条件，可以求解热处理过程温度场。

初始条件t=0时刻表达式：

(2)

给定物体某一边界条件上的辐射换热，对流换热条件：

q=HC·(T-T∞)+HS·(T-T∞)

=H∑·(T-T∞)

(3)

其中：H∑=HC+HS；q—通过边界的热量密度；T∞为介质温度；HC—间对流换热系数(工件—介质)；HS—与环境的辐射换热系数。

由微小弹塑性变形理论，总应变包括以下几部分：

ε=εe+εp+εth+ε0+εtr

(4)

式中：εe—弹性应变张量；εp—塑性应变张量；εth—热应变张量；ε0—附加应变张量；εtr—相变塑性应变张量，忽略相变，εtr≈0。

2 淬火过程数值模拟模型建立

提高固溶温度有利于粗大第二相的溶解，提高时效析出动力，当固溶温度达到482 ℃时，合金中的s相几乎全部溶解[7]。本文柱件模拟固溶温度确定为482 ℃，淬火至室温(25 ℃)水中。铝合金实际淬火变形较小，其产生的热量也相对较少。可采用顺序耦合分析淬火过程，即将求解出的温度场分布作为已知条件，导入柱件进行热应力分析，最后得到淬火应力和变形，分析过程为：热分析→温度场→热应力→残余应力，变形。

由柱件结构特点，模拟分析其2D轴对称模型。建立的分析模型与网格如图1，热传导、应力应变单元分析分别采用DCAX4、CAX4R，分析过程中采用相同的网格划分。为了使模拟过程变形与内应力更可靠，模拟过程中随温度变化的热物性参数必须准确输入。其热膨胀系数通过热处理分析仪测量，热膨胀曲线如图2所示，其他热物性能及力学性能参数均参考文献[9-10]。

图1 7050铝合金柱件分析模型

图2 7050铝合金热膨胀系数

3 淬火数值模拟结果与分析

淬火后残留于柱件的内应力沿径向、轴向、环向分别为σr、σz、σt，其大小及分布特征如图3所示。从图可以看出，柱件表层的内应力受压，其值高达229.3 MPa，从表层到中心，压应力逐渐减小，拉应力逐渐增加。沿径向内应力、轴向内应力、σ环向内应力变化范围分别为-211～118 MPa (图3(a))，-222～207 MPa (图3(b))、-221～121 MPa(图3(c))。

图3 沿r、z、t方向的残余应力分布

沿分析模型轴向(OA)、径向(OB)两个方向，淬火及深冷处理后的变形量如表1，由表可以看出，由心部到表层，轴径两方向材料收缩量逐渐增大，轴向表层收缩量高达0.500 mm，径向收缩量高达0.254 mm。若柱件材料各向同性，利用分析得到的热膨胀系数，计算淬火时由T0到T1轴、径两个方向的变形量，理论计算公式如下：

表1 淬火及深冷处理后沿OA、OB方向的变形量

ΔL=L0αT(T0-T1)，ΔR=R0αT(T0-T1)

(5)

其中，L0、R0分别为初始时刻试样长度、半径，平均线膨胀系数为αT。

固溶温度为482 ℃，淬火温度为室温(25 ℃)时，按式(5)理论计算得到轴向(OA)、径向(OB)两个方向变形量分别为：ΔL=0.480 mm，ΔR=0.240 mm，与模型仿真相近。

整个淬火过程应力演变如图4。主要包括三个阶段，第一阶段为刚淬火时，整个柱件温度较高，处于塑性变形状态，且表层金属温降速率明显高于心部，形成图4(a)所示的表层受拉心部受压的状态，此时无内应力残留于金属内部。第二阶段为柱件尺寸产生改变的阶段，当表层温度降至弹性状态，材料强度提高，中心温度处于塑性状态时，仍可产生收缩变形，此时仍无内应力残留，如图4(b)。在第三个阶段，表层与心部温度均降至弹性变形状态，随着淬火的进行，心部温度温降梯度更高，心部收缩受到表层金属的阻碍，整个柱件产生变形，呈现表层受压，心部受压的残留内应力状态，如图4(c)。

图4 淬火时应力演变简图

4 深冷处理数值分析结果与分析

对淬火后的柱件进行深冷处理，首先在侵入-196 ℃的液氮中，保温30 min，然后在200 ℃水浴中保温15 min，沿轴向(OA)、径向(OB)两个方向残留内应力变化如图5所示，可以看出，深冷处理可有效消除柱件残留内应力和变形量。轴向的残留内应力较大，为z、t方向，其中σz=σt，如图5(a)。深冷处理后σr、σz应力大小范围从0.4～207 MPa，-211.3～93 MPa降低为0.2～154.9 MPa，-102.6～66.5 MPa，径向方向的残留内应力σr、σz、σt分别从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，如图5(b)。表层压应力由211.3 MPa降低至106.5 MPa最大消除量达51%，而心部最大拉应力消除量为28%。深冷处理后收缩变形如表1所示，其轴向最大变形量从0.500 mm下降到0.3320 mm，径向最大收缩量从0.254 mm下降到0.165 mm，变形量分别减少33.6%、35%。