基于DEFORM的U型截面鋁合金鍛件淬火入水方式對(duì)殘余應(yīng)力的影響

龍 帥， 周 杰， 吳道祥， 王姝儼

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

7×××系列高強(qiáng)高韌鋁合金具有低密度、高耐蝕性、熱加工性能優(yōu)越等綜合優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。為獲得優(yōu)良的綜合性能，其鍛件通常需要經(jīng)過(guò)固溶-淬火-時(shí)效處理[4-6]，在此過(guò)程中，淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生不可避免。對(duì)于尺寸較大的鍛件而言，殘余應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度，不僅會(huì)在后續(xù)的機(jī)加工過(guò)程中引起零件的加工變形，還會(huì)降低材料的耐蝕性。因此，對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和消減過(guò)程進(jìn)行有效控制極為重要。

對(duì)鍛件淬火過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬已成為預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力最有效的途徑之一。楊重[7]、姚詩(shī)杰等[8-9]以及胡久等[10]基于數(shù)值模擬軟件ABAQUS研究了7050大型鋁合金鍛件的淬火殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程和冷壓消殘工藝。周萬(wàn)平等[11]基于MSC.MARC對(duì)T型鋁合金鍛件的淬火應(yīng)力進(jìn)行了仿真研究。吳道祥等[12]基于FORGE對(duì)H型截面鋁合金鍛件殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和模壓消減過(guò)程進(jìn)行了仿真研究。然而，必須指出的是，目前相關(guān)研究的仿真過(guò)程基本忽略了鍛件入水過(guò)程的影響，也并未對(duì)鍛件的入水方式進(jìn)行深入討論。事實(shí)上，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鍛件入水過(guò)程是一個(gè)不可忽略的步驟，鍛件的入水姿態(tài)、入水速度對(duì)淬火后殘余應(yīng)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(tái)，針對(duì)U型截面鍛件不同淬火入水姿態(tài)、入水速度進(jìn)行了仿真分析，揭示了上述因素對(duì)該鍛件淬火殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，優(yōu)選了入水姿態(tài)和入水速度，為實(shí)際生產(chǎn)提供了重要參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文試驗(yàn)對(duì)象為某U型截面鋁合金鍛件，最大包絡(luò)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(zhì)。7050鋁合金在不同溫度下的熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)和水淬時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)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(shù)[9, 13]

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

將鍛件三維模型導(dǎo)入DEFORM軟件中，鍛件類型為彈塑性體，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格目標(biāo)數(shù)量為300 000，劃分后實(shí)際網(wǎng)格數(shù)量為277 223。

2.2 初始條件

坯料初始溫度設(shè)置為20 ℃，坯料加熱過(guò)程的環(huán)境初始溫度為工程實(shí)際采用的477 ℃，由于模擬的是在加熱爐中的升溫過(guò)程，對(duì)流換熱系數(shù)采用默認(rèn)的與空氣的換熱系數(shù)0.02×103W/(m2·℃)。淬火過(guò)程的環(huán)境溫度為工程實(shí)際采用的66 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)如表1 所示。

2.3 邊界條件

鍛件表面均與環(huán)境(空氣、水)發(fā)生熱對(duì)流。為防止模擬過(guò)程中，鍛件由于冷熱作用產(chǎn)生應(yīng)力引起整體剛性移動(dòng)，在鍛件上隨機(jī)選取一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為x、y、z方向的運(yùn)動(dòng)約束點(diǎn)。為分析鍛件的不同入水姿態(tài)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，在距離鍛件H=2.5 m處定義66 ℃ 水環(huán)境介質(zhì)窗口，并對(duì)其施加朝向鍛件方向的值為2、5 m/s和自由落體的運(yùn)動(dòng)速度。鍛件入水姿態(tài)如圖2所示。

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

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 入水瞬時(shí)溫度場(chǎng)

圖3為4種姿態(tài)下自由落體淬火時(shí)，鍛件始端剛觸水到末端完全入水的瞬時(shí)溫度場(chǎng)變化情況，其中所記錄時(shí)間為從開(kāi)始自由落體到當(dāng)前狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，箭頭為入水方向。從圖3可以看出，在入水瞬時(shí)，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(tài)的溫度分布差異顯著，表明入水姿態(tài)對(duì)鍛件溫降規(guī)律的影響顯著。此外，溫降還與鍛件結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如，姿態(tài)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(tài)下始端剛觸水到末端完全入水的瞬時(shí)溫度場(chǎng)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(tài)2(U型面旋轉(zhuǎn)90°姿態(tài))完全入水的瞬時(shí)截面溫度場(chǎng)，對(duì)該截面取5個(gè)典型位置進(jìn)行分析，可以看到，在完全入水的瞬時(shí)，鍛件上5個(gè)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(shí)長(zhǎng)的增加顯著升高。此外，5個(gè)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(shí)的表面溫差值為101 ℃，形成了較大的溫度梯度，將對(duì)殘余熱應(yīng)力的分布帶來(lái)顯著影響。

圖4 鍛件以姿態(tài)2自由落體完全入水的瞬時(shí)截面溫度場(chǎng)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(tài)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖5為鍛件4種入水姿態(tài)自由落體淬火到溫后殘余等效應(yīng)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(yīng)力值。4種入水方式殘余等效應(yīng)力平均值分別為76.1、68.2、97.8和84.6 MPa，姿態(tài)2入水的殘余等效應(yīng)力平均值最小。此外，相比于其他3種入水姿態(tài)，姿態(tài)2的殘余應(yīng)力分布更加均勻，其應(yīng)力值標(biāo)準(zhǔn)差為32.7 MPa，遠(yuǎn)低于其他入水姿態(tài)。由此可見(jiàn)，采用姿態(tài)2入水可獲得值更小、分布更均勻的殘余應(yīng)力。

圖5 鍛件自由落體時(shí)不同入水姿態(tài)淬火后的殘余應(yīng)力分布(a)姿態(tài)1；(b)姿態(tài)2；(c)姿態(tài)3；(d)姿態(tài)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(duì)殘余應(yīng)力的影響

圖6為鍛件以姿態(tài)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力更低。分析發(fā)現(xiàn)，在3種入水速度下，鍛件從開(kāi)始接觸水到完全入水的時(shí)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(shí)間差，其殘余等效應(yīng)力平均值增加了86.2%。由此可見(jiàn)，入水更快的方式更容易獲得較低的殘余應(yīng)力值，且對(duì)于該鍛件而言，自由落體入水能有效降低淬火殘余應(yīng)力。

圖6 鍛件以姿態(tài)2方式在不同入水速度下淬火后的殘余應(yīng)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(jié)論

1) 入水姿態(tài)對(duì)鍛件入水瞬時(shí)的溫度分布和淬火后的殘余應(yīng)力影響顯著，對(duì)該鍛件而言，以U型面旋轉(zhuǎn)90°姿態(tài)入水可獲得更低的殘余應(yīng)力。

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