基于DEFORM的U型截面鋁合金鍛件淬火入水方式對殘余應力的影響

龍 帥， 周 杰， 吳道祥， 王姝儼

(1. 重慶科技學院 冶金與材料工程學院， 重慶 401331；2. 重慶大學 材料科學與工程學院， 重慶 400044；3. 西南鋁業(集團)有限責任公司， 重慶 401326)

7×××系列高強高韌鋁合金具有低密度、高耐蝕性、熱加工性能優越等綜合優勢，廣泛應用于航空航天領域[1-3]。為獲得優良的綜合性能，其鍛件通常需要經過固溶-淬火-時效處理[4-6]，在此過程中，淬火殘余應力的產生不可避免。對于尺寸較大的鍛件而言，殘余應力接近材料的屈服強度，不僅會在后續的機加工過程中引起零件的加工變形，還會降低材料的耐蝕性。因此，對殘余應力的產生和消減過程進行有效控制極為重要。

對鍛件淬火過程進行數值模擬已成為預測殘余應力最有效的途徑之一。楊重[7]、姚詩杰等[8-9]以及胡久等[10]基于數值模擬軟件ABAQUS研究了7050大型鋁合金鍛件的淬火殘余應力產生過程和冷壓消殘工藝。周萬平等[11]基于MSC.MARC對T型鋁合金鍛件的淬火應力進行了仿真研究。吳道祥等[12]基于FORGE對H型截面鋁合金鍛件殘余應力的產生和模壓消減過程進行了仿真研究。然而，必須指出的是，目前相關研究的仿真過程基本忽略了鍛件入水過程的影響，也并未對鍛件的入水方式進行深入討論。事實上，在實際生產過程中，鍛件入水過程是一個不可忽略的步驟，鍛件的入水姿態、入水速度對淬火后殘余應力大小和分布的影響值得深入分析和研究。

本文基于DEFORM平臺，針對U型截面鍛件不同淬火入水姿態、入水速度進行了仿真分析，揭示了上述因素對該鍛件淬火殘余應力的影響規律，優選了入水姿態和入水速度，為實際生產提供了重要參考。

1 試驗材料及方法

本文試驗對象為某U型截面鋁合金鍛件，最大包絡體尺寸為540 mm×700 mm×1000 mm，其具體尺寸如圖1所示，厚度為40 mm，為7050鋁合金材質。7050鋁合金在不同溫度下的熱物性參數、力學性能參數和水淬時的對流換熱系數如表1所示。

圖1 U型鋁合金鍛件Fig.1 U-section aluminum alloy forging

表1 7050鋁合金的熱物性參數[9, 13]

2 有限元模型的建立

2.1 網格劃分

將鍛件三維模型導入DEFORM軟件中，鍛件類型為彈塑性體，采用四面體網格進行網格劃分，網格目標數量為300 000，劃分后實際網格數量為277 223。

2.2 初始條件

坯料初始溫度設置為20 ℃，坯料加熱過程的環境初始溫度為工程實際采用的477 ℃，由于模擬的是在加熱爐中的升溫過程，對流換熱系數采用默認的與空氣的換熱系數0.02×103W/(m2·℃)。淬火過程的環境溫度為工程實際采用的66 ℃，對流換熱系數如表1 所示。

2.3 邊界條件

鍛件表面均與環境(空氣、水)發生熱對流。為防止模擬過程中，鍛件由于冷熱作用產生應力引起整體剛性移動，在鍛件上隨機選取一個網格節點作為x、y、z方向的運動約束點。為分析鍛件的不同入水姿態對殘余應力的影響規律，在距離鍛件H=2.5 m處定義66 ℃ 水環境介質窗口，并對其施加朝向鍛件方向的值為2、5 m/s和自由落體的運動速度。鍛件入水姿態如圖2所示。

圖2 鍛件的4種入水姿態Fig.2 Four water-entering modes of the forging

3 模擬結果分析與討論

3.1 入水瞬時溫度場

圖3為4種姿態下自由落體淬火時，鍛件始端剛觸水到末端完全入水的瞬時溫度場變化情況，其中所記錄時間為從開始自由落體到當前狀態所經歷的時間，箭頭為入水方向。從圖3可以看出，在入水瞬時，鍛件先入水部分溫降明顯，溫度隨鍛件入水先后順序逐漸升高，4種入水姿態的溫度分布差異顯著，表明入水姿態對鍛件溫降規律的影響顯著。此外，溫降還與鍛件結構有關，例如，姿態2入水后，鍛件凹面依然保持較高的溫度，而其凸面有較明顯的溫降。

圖3 鍛件4種姿態下始端剛觸水到末端完全入水的瞬時溫度場變化Fig.3 Instantaneous temperature field change of the forgings from begining to the end of entering water process with four different water-entering modes

圖4是鍛件以姿態2(U型面旋轉90°姿態)完全入水的瞬時截面溫度場，對該截面取5個典型位置進行分析，可以看到，在完全入水的瞬時，鍛件上5個位置的溫降深度分別為0.4、0.9、3.5、4.2和6.1 mm，深度隨入水時長的增加顯著升高。此外，5個位置的凸面表面溫度分別為443、419、396、364和342 ℃，即鍛件表面在入水后0.2 s時的表面溫差值為101 ℃，形成了較大的溫度梯度，將對殘余熱應力的分布帶來顯著影響。

圖4 鍛件以姿態2自由落體完全入水的瞬時截面溫度場Fig.4 Instantaneous cross-section temperature field of the forging with mode 2 when free falling into water completely

3.2 入水姿態對殘余應力的影響

圖5為鍛件4種入水姿態自由落體淬火到溫后殘余等效應力的分布情況，其中箭頭為入水方向。從圖5中可以看出，鍛件先入水部分在淬火完成后獲得了更大的等效應力值。4種入水方式殘余等效應力平均值分別為76.1、68.2、97.8和84.6 MPa，姿態2入水的殘余等效應力平均值最小。此外，相比于其他3種入水姿態，姿態2的殘余應力分布更加均勻，其應力值標準差為32.7 MPa，遠低于其他入水姿態。由此可見，采用姿態2入水可獲得值更小、分布更均勻的殘余應力。

圖5 鍛件自由落體時不同入水姿態淬火后的殘余應力分布(a)姿態1；(b)姿態2；(c)姿態3；(d)姿態4Fig.5 Residual stress distribution of the forgings after quenching with different water-entering modes in free falling(a) mode 1； (b) mode 2； (c) mode 3； (d) mode 4

3.3 入水速度對殘余應力的影響

圖6為鍛件以姿態2的入水方式分別以自由落體、5 m/s和2 m/s的入水速度下淬火后的殘余應力分布。從圖6可以看到，上述3種入水速度淬火后的殘余等效應力平均值分別為68.2、127.0和138.0 MPa，以自由落體入水的鍛件獲得的殘余應力更低。分析發現，在3種入水速度下，鍛件從開始接觸水到完全入水的時間分別是0.13、0.2和0.5 s，相比于自由落體，以5 m/s 速度入水的鍛件，即便只存在0.07 s的時間差，其殘余等效應力平均值增加了86.2%。由此可見，入水更快的方式更容易獲得較低的殘余應力值，且對于該鍛件而言，自由落體入水能有效降低淬火殘余應力。

圖6 鍛件以姿態2方式在不同入水速度下淬火后的殘余應力分布(a)自由落體；(b)5 m/s；(c)2 m/sFig.6 Residual stress distribution of the forgings after quenching with mode 2 at different water-entering speeds(a) in free falling； (b) 5 m/s； (c) 2 m/s

4 結論

1) 入水姿態對鍛件入水瞬時的溫度分布和淬火后的殘余應力影響顯著，對該鍛件而言，以U型面旋轉90°姿態入水可獲得更低的殘余應力。

2) 從開始入水到完全入水的時間越短，鍛件淬火后的殘余應力越低，該U型截面鍛件采用自由落體的入水方式時的殘余應力最小。