某飞机旅客观察窗窗框锻件淬火过程仿真模拟研究

齐同街，吴道祥

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

铝合金构件经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础[1]。一般来说，采用较快的淬火速率可以使材料达到较高的强度，获得强度与韧性的最佳组合。然而在淬火过程中，由于工件快速冷却，工件外表面与心部的冷却速度不一致，存在较大的温度梯度，使得材料冷却收缩不均匀，在工件中产生严重的淬火残余应力[2-4]。残余应力的存在会极大地影响工件的加工性能、疲劳寿命以及耐蚀性能等。

近年来，计算机数值模拟分析技术取得了迅猛的发展，通过数值模拟技术可以对合金构件淬火过程每一瞬时的温度场、应力场进行实时的计算与观测。本文通过采用数值模拟技术，探索某飞机旅客观察窗窗框锻件淬火过程残余应力大小、分布及规律，为后期的残余应力消减工艺奠定基础。

1 淬火过程数值模拟分析基本理论

1.1 假设条件

铝合金构件淬火是一个比较复杂的过程，影响因素众多，可抓主要矛盾简化问题，因此提出如下假设：（1） 构件各部分为连续均匀的且为各向同性材料；（2）由于热辐射传热机理研究尚不成熟，且热辐射在热量传递中的作用不大，主要考虑热对流传热过程；（3） 在淬火过程中工件各个表面与淬火介质同时接触，且假定淬火介质足够多，温度保持不变；（4） 铝合金不考虑相变和化学变化产生的应力对热应力影响，只考虑温度场引起的热应力变化。

1.2 淬火过程温度场数学模型

构件淬火时的热传导过程一般用反映传热体与环境换热关系的边界条件和热传导通用方程描述。根据能量守恒定律及傅立叶传热定律，得到构件淬火时传热过程材料的瞬态温度场T （x，y，z，t）方程[5]：

边界条件：

（1）第一类边界条件：

（2）第二类边界条件：（3）第三类边界条件：

式中，T为瞬时温度，T0为初始温度，Tw、Tc分别为工作表面温度和介质温度，λ表示材料的导热系数，Cp表示比热容，ρ为密度，t为时间，Q为材料内部热源强度（即相变潜热和塑性功生成热），n为方向余弦，q0为热流密度，Hf为总的换热系数。

由于淬火过程中工件外表面温度变化剧烈，无法采用第一种边界条件，而第二类边界条件与第三类边界条件本质上是等价的，而且材料表面与介质的换热系数是由实验测得的随温度变化的数值，因此工程实际应用中一般采用第三类边界条件。

1.3 淬火过程应力场数学模型

对于铝合金构件淬火过程热应力问题，构件在淬火时的温度变化会影响合金相关的材料属性及热物理特性（如热胀冷缩），在已知合金材料热力学性能参数及温度场分布的情况下，可求出合金构件淬火时的应力场分布。

假设材料内部某区域存在温差ΔT(x,y,z)，那么这个温差将引起变形，其膨胀量为αTΔT(x,y,z)（αT为材料热膨胀系数），则该区域的物理方程将增加温度应变（热膨胀量）[5]：

其中：

由以上公式可计算出合金构件淬火过程中的热应力，当构件某区域热应力值超过该材料的屈服点后，在该区域合金材料就会产生一定量无法弹性回复的塑性变形，此时在该区域的相邻位置会产生附加应力平衡其塑性应力，这种产生的自平衡应力即为残余应力。

2 淬火过程有限元模型

2.1 有限元模型的建立

采用FORGE 软件作为数值模拟平台，利用弹塑性有限元模型对窗框锻件淬火过程进行数值模拟。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2.2 材料参数

设定构件淬火温度为470 ℃、冷却介质为水（水温为20 ℃）、泊松比为0.33。7050铝合金主要的热物性参数、力学性能参数和表面换热系数分别如表1[6]、表2[7]和表3[8]所示，三个表的参数都随着温度的变化而呈非线性变化。考虑构件在转运过程中与空气间的热交换，热交换系数为200 W/m2·℃[9]。

表1 7050铝合金热物性参数

表2 7050铝合金力学性能参数

表3 7050铝合金水淬表面换热系数

3 淬火过程模拟仿真结果

3.1 温度场模拟结果及分析

锻件的锻后热处理主要经过如下几个阶段：加热到固溶温度477 ℃、固溶一段时间后转运2 s、淬火到室温20 ℃等。主要转运及淬火时温度变化如图2 所示。加热及转运时，锻件传热介质为空气，热传导系数较小，但由于零件较薄，当加热270 s 后，锻件整体温度达到477 ℃，温度变化较快；锻件转运2 s，温度下降到455～464 ℃左右，变化较大；锻件淬火开始时，温度变化较剧烈，淬火0.5 s 后，锻件筋顶表面温度下降到134 ℃以下，锻件心部温度为191～249 ℃左右，内外温差较大。当淬火时间为2.5 s 时，锻件温度进一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火时间达到20 s 后，锻件整体温度降到水温20 ℃。其中，淬火时间为0.5 s 左右时锻件内外温度差最大，淬火时间达到1.5 s时，内外温差极小。由于淬火时锻件内外温度差的不断变化，锻件产生残余应力。

图2 转运及淬火过程锻件温度分布

3.2 应力场模拟结果及分析

在淬火过程中，由于表层金属的快速冷却使锻件内外产生温度差，导致在淬火结束后会产生分布不均的内应力（主要为热应力）。图3 为转运后应力分布及淬火后空冷至室温的锻件残余应力分布。锻件转运时，由于传热介质为空气，传热较慢，锻件产生应力较小，不管是锻件截面的横向方向还是纵向方向，其应力分布较为均匀，且应力值均在±0.1 MPa 范围内。而锻件较薄时，温度变化加快，锻件淬火后残余应力增加到±50 MPa内，整体残余应力分布主要为外部压应力和内部拉应力。其中四个典型截面中截面D-D 变化最大，其表层的横向压应力最大为48 MPa，心部横向拉应力最大为51.3 MPa；表层的纵向压应力最大为14.4 MPa，心部纵向最大拉应力为8.66 MPa。整个锻件的残余应力都较小，分析其原因主要为，锻件较薄，淬火时传热较快，锻件整体冷却较快，表层及心部温度梯度较小，从而导致锻件在淬火后残余应力较小。因此，在该类锻件淬火时应主要注意其变形情况。

图3 锻件残余应力变化

4 结论

（1） 建立了某飞机旅客观察窗窗框锻件淬火过程温度场及应力场数学模型，采用有限元数值模拟软件模拟了锻件淬火过程温度场及应力场的分布。

（2） 锻件淬火开始时，温度变化较剧烈，淬火0.5 s 后，锻件筋顶表面温度下降到134 ℃以下，锻件心部温度为191～249 ℃左右，内外温差较大。当淬火时间为2.5 s 时，锻件温度进一步下降到32.5～47.4 ℃以下，淬火20 s 后，锻件整体温度降到水温20 ℃。其中，淬火时间为0.5 s 左右时锻件内外温度差最大，淬火时间达到1.5 s 时，内外温差极小。

（3） 锻件淬火后残余应力在±50 MPa内，整体残余应力分布主要为外部压应力和内部拉应力，整体锻件残余应力较小。