某飛機旅客觀察窗窗框鍛件淬火過程仿真模擬研究

齊同街，吳道祥

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

鋁合金構件經固溶處理后，必須經過快速淬火才能避免脫溶析出，獲得高過飽和度的固溶體，為時效提高合金的強度奠定基礎[1]。一般來說，采用較快的淬火速率可以使材料達到較高的強度，獲得強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，在工件中產生嚴重的淬火殘余應力[2-4]。殘余應力的存在會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，計算機數值模擬分析技術取得了迅猛的發展，通過數值模擬技術可以對合金構件淬火過程每一瞬時的溫度場、應力場進行實時的計算與觀測。本文通過采用數值模擬技術，探索某飛機旅客觀察窗窗框鍛件淬火過程殘余應力大小、分布及規律，為后期的殘余應力消減工藝奠定基礎。

1 淬火過程數值模擬分析基本理論

1.1 假設條件

鋁合金構件淬火是一個比較復雜的過程，影響因素眾多，可抓主要矛盾簡化問題，因此提出如下假設：（1） 構件各部分為連續均勻的且為各向同性材料；（2）由于熱輻射傳熱機理研究尚不成熟，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表面與淬火介質同時接觸，且假定淬火介質足夠多，溫度保持不變；（4） 鋁合金不考慮相變和化學變化產生的應力對熱應力影響，只考慮溫度場引起的熱應力變化。

1.2 淬火過程溫度場數學模型

構件淬火時的熱傳導過程一般用反映傳熱體與環境換熱關系的邊界條件和熱傳導通用方程描述。根據能量守恒定律及傅立葉傳熱定律，得到構件淬火時傳熱過程材料的瞬態溫度場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為瞬時溫度，T0為初始溫度，Tw、Tc分別為工作表面溫度和介質溫度，λ表示材料的導熱系數，Cp表示比熱容，ρ為密度，t為時間，Q為材料內部熱源強度（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。

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上是等價的，而且材料表面與介質的換熱系數是由實驗測得的隨溫度變化的數值，因此工程實際應用中一般采用第三類邊界條件。

1.3 淬火過程應力場數學模型

對于鋁合金構件淬火過程熱應力問題，構件在淬火時的溫度變化會影響合金相關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性能參數及溫度場分布的情況下，可求出合金構件淬火時的應力場分布。

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

其中：

由以上公式可計算出合金構件淬火過程中的熱應力，當構件某區域熱應力值超過該材料的屈服點后，在該區域合金材料就會產生一定量無法彈性回復的塑性變形，此時在該區域的相鄰位置會產生附加應力平衡其塑性應力，這種產生的自平衡應力即為殘余應力。

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行數值模擬。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 材料參數

設定構件淬火溫度為470 ℃、冷卻介質為水（水溫為20 ℃）、泊松比為0.33。7050鋁合金主要的熱物性參數、力學性能參數和表面換熱系數分別如表1[6]、表2[7]和表3[8]所示，三個表的參數都隨著溫度的變化而呈非線性變化。考慮構件在轉運過程中與空氣間的熱交換，熱交換系數為200 W/m2·℃[9]。

表1 7050鋁合金熱物性參數

表2 7050鋁合金力學性能參數

表3 7050鋁合金水淬表面換熱系數

3 淬火過程模擬仿真結果

3.1 溫度場模擬結果及分析

鍛件的鍛后熱處理主要經過如下幾個階段：加熱到固溶溫度477 ℃、固溶一段時間后轉運2 s、淬火到室溫20 ℃等。主要轉運及淬火時溫度變化如圖2 所示。加熱及轉運時，鍛件傳熱介質為空氣，熱傳導系數較小，但由于零件較薄，當加熱270 s 后，鍛件整體溫度達到477 ℃，溫度變化較快；鍛件轉運2 s，溫度下降到455～464 ℃左右，變化較大；鍛件淬火開始時，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，內外溫差較大。當淬火時間為2.5 s 時，鍛件溫度進一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火時間達到20 s 后，鍛件整體溫度降到水溫20 ℃。其中，淬火時間為0.5 s 左右時鍛件內外溫度差最大，淬火時間達到1.5 s時，內外溫差極小。由于淬火時鍛件內外溫度差的不斷變化，鍛件產生殘余應力。

圖2 轉運及淬火過程鍛件溫度分布

3.2 應力場模擬結果及分析

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

圖3 鍛件殘余應力變化

4 結論

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

（2） 鍛件淬火開始時，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，內外溫差較大。當淬火時間為2.5 s 時，鍛件溫度進一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火20 s 后，鍛件整體溫度降到水溫20 ℃。其中，淬火時間為0.5 s 左右時鍛件內外溫度差最大，淬火時間達到1.5 s 時，內外溫差極小。

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