7050铝合金零件淬火过程中温度场及热应力场的模拟研究

　　7050铝合金有较高的强度，良好的耐腐蚀性和抗疲劳特性，是航空航天领域广泛使用的主承力件[1]。淬火可使其强度得到进一步提高，但随着构件厚度和结构复杂性的不断增加，在淬火过程中会产生较大的热应力， 这将造成表面和心部力学性能的不均匀性，同时导致构件在后续加工中出现尺寸不稳定、翘曲变形等各种缺陷[2]。因此研究淬火过程中热应力的产生及降低这种危害显得尤为重要，而淬火又是一个相当复杂的过程，受多种因素影响，各影响因素之间又相互作用、相互制约，因此传统的方法不能完整、全面和准确地分析及预测淬火过程的温度场、应力场[3]。

　　计算机及模拟技术的快速发展推动了热处理技术的进一步提高，冷却曲线、换热系数计算测量技术的提高和新型淬火介质的开发，以淬火过程的计算机模拟为依据来控制冷却过程，将有利于解决铝合金零件淬火开裂的技术难题。黄鹏等[4-5]运用反传热法计算了试件深冷处理时的表面换热系数，填补了铝合金材料和介质间的换热系数计算方法的空白，客观上满足了后续的计算机数值模拟需求。柯映林等[6]运用有限元软件ABAQUS对铝合金板材淬火过程进行了数值模拟，比例件的加工变形表明淬火模拟所得残余应力是可信的，数值模拟结果与实际情况吻合较好。程赫明等[7]基于ANSYS软件和非线性处理方法，实现了金属及合金工件淬火时在偶合相变因素情况下淬冷温度场和热应力场的数值模拟，解决了许多生产实践问题，相关理论及应用得到较好发展。

　　为了更加精确研究铝合金零件淬火过程，本文综合考虑了7050铝合金材料热物性参数与力学性能参数的非线性问题，借助大型非线性有限元软件ABAQUS求解了7050铝合金法兰盘零件在室温淬火过程中的温度场和热应力场分布，期望为非线性有限元软件在热处理过程中提高产品质量、节约开发成本提供支持。

　　1 淬火冷却过程的数学模型

　　根据傅里叶热传导定律(HeatTransferTheorem)，运用能量守恒定律(EnergyConservationTheorem)，可建立本次实验瞬态传热分析的基本方程为：

　　其中：λ为材料的导热系数(W/(m·℃));ρ为内热源的热流密度(W/m²);T为温度(℃);t 为进程运行时间(s);ρ为材料密度(kg/m³);cp为材料定压比热容(J/(kg·℃));铝合金淬火冷却应尽量保证第二相不从固溶体中析出，因此可令Q=0W/m²[8]。

　　边界条件反映了零件外表面与周围环境的热交换情况，本实验中采用第三类边界条件，即淬火中零件与冷却介质水之间的对流换热系数Hk(kW/m²·K^-1)和水槽温度Tc为已知，表示为：，为已知的工件表面温度。