大型鋁合金鍛件熱處理過程內(nèi)應(yīng)力模擬研究*

龔利華，郭 容

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 宜賓 644003)

7系高強(qiáng)鋁合金是飛機(jī)結(jié)構(gòu)件主要材料[1]，其工作時必然承受較大的應(yīng)力載荷。因此，控制可以提高綜合性能的鍛造、熱處理過程尤為關(guān)鍵。鍛件生產(chǎn)過程中不均勻的塑性變形和溫差均可使內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，并殘留于合金內(nèi)部，使整個鍛件表層到心部性能不穩(wěn)定[2]，尤其是結(jié)構(gòu)相對較大的航空結(jié)構(gòu)件。鍛件尺寸越大，塑性變形及溫差越大，其內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)越復(fù)雜，殘留的內(nèi)應(yīng)力更大，造成后續(xù)加工時尺寸穩(wěn)定性差，發(fā)生翹曲變形等缺陷[3-5]。因此，有必要研究鍛件在鍛造、固溶及淬火整個過程中內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律。

目前數(shù)值分析淬火過程的溫度場、應(yīng)力場的變化規(guī)律研究較多[6-8]。但同時結(jié)合淬火鍛造、固溶處理殘留內(nèi)應(yīng)力耦合因素的分析較少。而實(shí)際生產(chǎn)過程中淬火前鍛件仍有內(nèi)應(yīng)力存在。因此，準(zhǔn)確模擬淬火過程殘留內(nèi)應(yīng)力必須綜合考慮淬火前鍛件的內(nèi)應(yīng)力分布。本文借助Deform-3D軟件，以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件長緣條鍛件為研究對象，7050鋁合金為研究材料，耦合模擬長緣條鍛造、固溶、淬火過程的內(nèi)應(yīng)力。優(yōu)化長緣條鍛件熱處理制度，減少殘留內(nèi)應(yīng)力，提高鍛件的使用性能。

1 鍛造殘留內(nèi)應(yīng)力分析

為了分析經(jīng)過鍛壓后長緣條鍛件殘留的內(nèi)應(yīng)力，建立長緣條鍛件模擬分析幾何模型，如圖1(a)。該緣條形鍛件具有一定幅度，整個長緣條長寬高尺寸為3500 mm×480 mm×100 mm。借助Deform-3D軟件，導(dǎo)入模擬所需的模具與坯料，由于長緣條坯料寬度方向上左右對稱，為了簡化計(jì)算，節(jié)省時間，分析時取坯料一半進(jìn)行鍛造模擬，模擬時定義模具為剛性，坯料為彈塑性體，模具坯料溫度分別為440 ℃和350 ℃。材料其他模擬參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]。圖1(b)為Z向鍛后殘留的內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，可以看出，不均勻塑性變形使長緣條鍛件引入大量鍛造應(yīng)力，于長緣條表面引入大量殘留壓應(yīng)力，緣條變形幅度最大的部位，殘留壓應(yīng)力最大，顏色最深，整個鍛件壓應(yīng)力最大值達(dá)到240 MPa，而在鍛造飛邊處呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 鍛造模型及鍛后應(yīng)力分布

2 鍛件固溶處理內(nèi)應(yīng)力分析

塑性變形時粗大第二相阻礙位錯運(yùn)動，產(chǎn)生應(yīng)力集中使金屬過早斷裂。因此，需要進(jìn)一步的固溶時效熱處理，在固溶處理階段，固溶溫度應(yīng)盡可能最大限度提高，促使粗大第二相最大限度地回溶入基體，以改善合金的綜合性能。直接將鍛后長緣條的“.db”模型文件導(dǎo)入DEFORM-3D 軟件，進(jìn)行固溶過程熱處理模擬分析。經(jīng)過差熱分析和掃描電鏡觀察，得到7050鋁合金DSC分析曲線及478 ℃固溶后的第二相SEM，如圖2。由圖可以看出，合金過燒溫度為486 ℃，固溶處理模擬溫度應(yīng)低于過燒溫度，當(dāng)固溶溫度為478 ℃時，大部分粗大第二相回已溶入基體。因此，本模擬固溶溫度設(shè)定為478 ℃，假設(shè)長緣條與空氣表面換熱系數(shù)為0.2 N/(s·mm·℃)，模擬時長1 h。

圖2 7050鋁合金DSC曲線及第二相SEM

長緣條鍛造后立即固溶可以縮短固溶時間，節(jié)約生產(chǎn)成本，分析時忽略轉(zhuǎn)移時間，直接進(jìn)行固溶處理模擬。固溶過程中，長緣條表面與芯部位置處，其溫度隨時間的變化規(guī)律如圖3(a)所示。從圖可以看出，鍛后長緣條溫度仍較高，約為420 ℃，經(jīng)過20 min固溶后，幾乎整個長緣條均達(dá)到固溶溫度，達(dá)到固溶溫度時間較短。為了研究長緣條構(gòu)件表面各點(diǎn)Z向內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律，于長緣條表面沿緣條方向均勻選取A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)，如圖1(b)所示。表面各點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力變化曲線如圖3(b)。從曲線變化可知，固溶過程表面各處大部分Z向殘留壓應(yīng)力逐漸得到釋放，鍛造后表面壓應(yīng)力為180 MPa左右，固溶后下降至50 MPa左右，不同部位的釋放量均在100 MPa以上，完成固溶過程后，整個長緣條仍呈壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 固溶過程鍛件溫度及Z向內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律

3 淬火數(shù)值模擬分析場

3.1 淬火過程參數(shù)設(shè)置

不同淬火水溫冷卻能力由鍛件表面與水的換熱系數(shù)體現(xiàn)，模擬時對鍛件施加不同溫度下的換熱系數(shù)即可建立淬火邊界條件。淬火時表面換熱系數(shù)參考文獻(xiàn)[10]，直接導(dǎo)入固溶后“.db”模型文件，以保證模擬過程中內(nèi)應(yīng)力的遺傳性。在deform-3D參數(shù)設(shè)置中輸入劃分網(wǎng)格的數(shù)量100000，設(shè)置時間步長為1 s，添加邊界條件及對稱面等，其他熱物性能及力學(xué)性能參數(shù)均參考文獻(xiàn)[11]。淬火時假設(shè)為理想狀態(tài)，即內(nèi)部溫度一致，水溫恒定，忽略極微小的相變和空中轉(zhuǎn)移時間。淬火內(nèi)應(yīng)力主要是由溫度差引起的熱應(yīng)力，因此，研究淬火過程溫度場變化規(guī)律尤為重要，設(shè)定淬火水溫為20 ℃、35 ℃、60 ℃。

3.2 淬火過程溫度場模擬

由于熱處理過程后的內(nèi)應(yīng)力與變形均為溫差造成的不均勻收縮導(dǎo)致，因此，有必要分析長緣條鍛件表層金屬和芯部的溫度演變規(guī)律。圖4為淬火過程長緣條表層和中心的溫度下降規(guī)律模擬結(jié)果，從圖可以得出，鍛件金屬表層到芯部溫度變化不規(guī)律，呈現(xiàn)非線性的特性。與35 ℃、60 ℃淬火水溫相比，20 ℃時內(nèi)外溫差最大，溫度下降的斜率最大，溫度下降更不均，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力更大。提高淬火至35 ℃和60 ℃時，內(nèi)外溫差逐漸下降，兩淬火溫度下降斜率變化相近，而淬火水溫越低，淬火效果越好，綜合考慮選擇淬火水溫為35 ℃較合理。

3.3 淬火過程殘留內(nèi)應(yīng)力模擬

為了研究長緣條構(gòu)件35 ℃淬火時表面和芯部Z向內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律，沿緣條方向分別選取表面點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)和芯部點(diǎn)A′、B′、C′、D′、E′、F′，如圖1(b)所示。表面和芯部各點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力變化曲線分別如圖5(a)和圖5(b)。由圖可以看出，緣條方向上表面各點(diǎn)呈現(xiàn)出的變化規(guī)律基本一致，芯部各點(diǎn)變化規(guī)律也基本相同。圖5(a)可以看出，在淬火的幾秒內(nèi)，長緣條表層的壓應(yīng)力即變?yōu)槔瓚?yīng)力，在4 s時，表層拉應(yīng)力增至最大60 MPa，隨后不斷下降，使內(nèi)應(yīng)力又轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而后壓應(yīng)力隨淬火過程進(jìn)行不斷增大，15 s時壓應(yīng)力增至最大180 MPa，并最終殘留于長緣條表層。剛淬火時長緣條表層金屬溫度急降，收縮量大于內(nèi)層金屬而呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。隨后內(nèi)部金屬收縮量大于表層，對表層金屬呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，并不斷增加殘留于鍛件。芯部各處點(diǎn)Z向內(nèi)應(yīng)力的變化曲線如圖5(b)所示，剛淬火時，長緣條芯部壓應(yīng)力有所增加，淬火至4 s時壓應(yīng)力最高，達(dá)到90 MPa。而后金屬受到拉應(yīng)力并不斷增加，15 s時增至最大120 MPa。由于剛淬火鍛件芯部金屬處于高溫，其收縮速度遠(yuǎn)小于表層金屬，芯部金屬受到表面金屬收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力。當(dāng)淬火至芯部金屬溫降速度高于表層時，此時芯部金屬更快，對芯部金屬呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，使長緣條心部的應(yīng)力狀態(tài)由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力狀態(tài)。最終在整個長緣條形成表面受壓、芯部受拉的應(yīng)力分布特征。

圖4 淬火過程溫度變化

圖5 淬火過程Z向內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律

4 結(jié)論

利用Deform-3D可預(yù)測大型鍛件制造過程中溫度與內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律，長緣條鍛件在鍛造后產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，其值高達(dá)240 MPa。固溶處理可以釋放大部分Z向殘留的壓應(yīng)力，固溶后整個長緣條鍛件仍呈壓應(yīng)力狀態(tài)。淬火時鍛件溫度由外向內(nèi)呈非線性復(fù)雜變化，與淬火水溫為20 ℃相比，35 ℃水溫時，溫差明顯減小，由溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力減少。淬火時，長緣條表面各點(diǎn)均由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而芯部金屬轉(zhuǎn)變狀態(tài)則相反。最終于長緣條表面殘留180 MPa的壓應(yīng)力，芯部殘留120 MPa的拉應(yīng)力。因此，淬火過程產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力對鍛件尺寸穩(wěn)定性影響最大。