A356鋁合金熱處理工藝的數(shù)值模擬

　　摘要：基于Abaqus有限元分析軟件，研究A356鋁合金經(jīng)熱處理后的溫度變化規(guī)律以及殘余應(yīng)力的大小和分布情況，并對(duì)A356鋁合金進(jìn)行拉伸模擬，將得到的拉伸模擬結(jié)果與實(shí)際拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，固溶處理可以有效消除材料表面的殘余應(yīng)力，尤其是可以基本消除合金棱邊處的殘余應(yīng)力，而淬火后合金的殘余應(yīng)力反而變大。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后合金表面的殘余應(yīng)力明顯減小，能有效避免裂紋的產(chǎn)生，在固溶溫度為555℃時(shí)鋁合金的殘余應(yīng)力最小，約為77MPa，此時(shí)A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度最大，約為300MPa，與拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合。采用有限元分析軟件對(duì)A356鋁合金的熱處理進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證最佳固溶溫度并計(jì)算出最小殘余應(yīng)力，對(duì)抗拉強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用可提供一定參考。

　　關(guān)鍵詞：A356鋁合金;固溶處理;時(shí)效處理;殘余應(yīng)力;抗拉強(qiáng)度

　　高強(qiáng)鑄造鋁合因鑄造性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好、強(qiáng)重比高，且制造成本低，易于成型等特點(diǎn)，在汽車和航空工業(yè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[1-4]。其中，A356鋁合金具有優(yōu)良的鑄造流動(dòng)性及氣密性，以及收縮率小、熱裂傾向小等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)變質(zhì)和熱處理工藝后，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能和較好的機(jī)械加工性能，成為鑄造鋁合金中使用最廣泛的鋁合金之一[5-6]。

　　近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)汽車質(zhì)量要求也越來(lái)越高，輪轂作為汽車重要的零部件之一，承受著汽車行駛過(guò)程中的主要載荷，因而對(duì)輪轂的性能要求也越來(lái)越要求高質(zhì)量。

　　熱處理工藝可作為提高構(gòu)件性能的重要加工工序，通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)試時(shí)，需要對(duì)不同熱處理工藝條件下的輪轂進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)周期性長(zhǎng)且成本高，操作不當(dāng)，還會(huì)產(chǎn)生試驗(yàn)錯(cuò)誤，影響試驗(yàn)結(jié)果與判斷。采用有限元分析，可確定材料是否滿足設(shè)計(jì)要求，有效縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的效果。

　　目前，預(yù)測(cè)和控制鑄造鋁合金構(gòu)件熱處理工藝后的殘余應(yīng)力及淬火變形等問題一直是有限元分析研究的熱點(diǎn)之一。本文采用有限元分析的方法，運(yùn)用Abaqus有限元仿真軟件，對(duì)A356鋁合金熱處理后的殘余應(yīng)力大小和分布情況及淬火變形的溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了仿真模擬;同時(shí)，對(duì)A356鋁合金進(jìn)行了拉伸過(guò)程的模擬，將拉伸結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的拉伸結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。此研究可為開發(fā)高性能的鑄造鋁合金材料提供參考。

　　1A356鋁合金熱處理仿真模型

　　1.1試驗(yàn)材料及方法

　　本試驗(yàn)選用A356鑄造鋁合金為研究對(duì)象，其主要的化學(xué)成分。A356鋁合金試樣的尺寸。因研究模型試樣為軸對(duì)稱圖形，為能更快計(jì)算出模擬結(jié)果，采用1/4模型進(jìn)行模擬分析。本研究中熱處理工藝為：固溶溫度分別為540、545、550、555、560℃，加熱保溫2h后水淬，之后再進(jìn)行170℃×7h的時(shí)效處理。模擬熱處理完成后，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸模擬，得到不同固溶溫度下試樣的應(yīng)力時(shí)間曲線，并將模擬結(jié)果與實(shí)際拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

　　1.2有限元分析模型

　　A356鋁合金的密度為2.7g/cm3，泊松比為0.33。熱處理工藝模擬過(guò)程用到的模擬參數(shù)。本次模擬運(yùn)用Abaqus有限元分析軟件對(duì)A356鋁合金進(jìn)行熱固耦合分析，不考慮鑄件表面粗糙度帶來(lái)的影響，先進(jìn)行熱處理工藝的傳熱分析，再直接將傳熱分析計(jì)算得到的ODB文件進(jìn)行殘余應(yīng)力分析。計(jì)算模擬過(guò)程為：造型與劃分網(wǎng)格→輸入熱物性參數(shù)→施加熱學(xué)邊界條件→確定收斂溫度→計(jì)算溫度場(chǎng)→輸出結(jié)果→保存文件→輸入熱力學(xué)性能參數(shù)→加載工藝參數(shù)→輸出結(jié)果[7]。

　　熱處理工藝及殘余應(yīng)力分析分別采用DC308線性傳熱六面體單元和C3D8R線性六面體單元進(jìn)行計(jì)算。拉伸模擬時(shí)，將試樣一端完全固定，另一端施加5mm/s的速度進(jìn)行拉伸，通過(guò)場(chǎng)輸出結(jié)果得到不同固溶溫度下試樣的應(yīng)力-時(shí)間曲線，并將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

　　2模擬結(jié)果與分析

　　2.1溫度場(chǎng)分析

　　對(duì)A356鋁合金555℃固溶處理進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，橫截面方向的溫度變化與長(zhǎng)軸向端面的溫度變化出現(xiàn)相似規(guī)律：距離中心點(diǎn)a越遠(yuǎn)，溫度越高。可見，在加熱過(guò)程中，試樣表面溫度最高，試樣中心區(qū)域溫度最低。

　　2.2殘余應(yīng)力分析

　　對(duì)A356鋁合金試樣進(jìn)行固溶處理和淬火處理模擬計(jì)算，得到其殘余應(yīng)力分布，試樣在不同固溶溫度處理后殘余應(yīng)力分布。為淬火后的殘余應(yīng)力分布。鑄態(tài)鋁合金因在成型過(guò)程中壓力及溫度變化不同，導(dǎo)致出現(xiàn)分布松散的枝狀晶體及結(jié)狀的大顆粒晶體。因而在Al-Si合金沒有變質(zhì)前，針片狀形態(tài)的共晶Si會(huì)嚴(yán)重割裂基體α-Al，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低A356鋁合金的力學(xué)性能。而經(jīng)過(guò)熱處理的A356鋁合金，受熱均勻，受力大小也基本一致。

　　隨著固溶溫度的升高，A356鋁合金表面的殘余應(yīng)力越小。這是因?yàn)闇囟仍礁�，A356鋁合金基體內(nèi)的溶質(zhì)原子擴(kuò)散越快，Mg2Si相越易溶于基體α-Al中。同時(shí)，隨著固溶溫度的升高，A356鋁合金棱邊處的紅色(彩圖見電子版)面積減少，說(shuō)明固溶處理在消除試樣表面殘余應(yīng)力方面具有很好的效果，尤其是試樣棱邊處的殘余應(yīng)力可基本消除，且隨著加熱溫度的升高，消除應(yīng)力的效果越時(shí)顯。

　　但當(dāng)溫度達(dá)到560℃時(shí)，試樣表面的殘余應(yīng)力反而增大，說(shuō)明溫度過(guò)高，固溶處理消除應(yīng)力的效果反而會(huì)下降�？梢�，固溶處理消除應(yīng)力的效果與固溶溫度并不成線性關(guān)系，存在固溶強(qiáng)化效果的最佳溫度，即555℃時(shí)固溶強(qiáng)化效果最佳。為保留固溶組織，避免晶粒長(zhǎng)大，固溶處理后對(duì)試樣迅速進(jìn)行淬火，淬火后的應(yīng)力分布。

　　可以明顯看出，淬火后試樣的殘余應(yīng)力變化明顯。這是因?yàn)榇慊饡r(shí)試樣的表面溫度迅速下降，而中心部位溫度下降緩慢導(dǎo)致試樣內(nèi)外的降溫速率差大，使試樣表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。還可以看出，在540～555℃，隨著加熱溫度的升高，試樣表面殘余應(yīng)力不斷減小，在加熱溫度為540℃時(shí)，試樣表面的最大應(yīng)力大約為99MPa，加熱溫度為555℃時(shí)，最大應(yīng)力約為98MPa。當(dāng)加熱溫度達(dá)到560℃時(shí)，試樣表面的殘余應(yīng)力約100MPa，高于555℃時(shí)的應(yīng)力，故得出固溶溫度為555℃時(shí)的固溶強(qiáng)化效果最佳。

　　2.3時(shí)效分析

　　A356鋁合金試樣經(jīng)固溶處理后，再對(duì)其進(jìn)行170℃×7h的時(shí)效處理，其中7h為有效保溫時(shí)間。設(shè)定初始溫度為25℃，換熱系數(shù)為0.2×103W/(m2·K)，時(shí)間為1s，比熱容0.88×103J/(kg·K)。不同固溶溫度處理后的A356鋁合金試樣經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的應(yīng)力集中最大值。

　　相比于固溶處理，時(shí)效處理后A356鋁合金性能主要與析出相β''有關(guān)。根據(jù)傳統(tǒng)的β''相析出理論[8]，固溶保溫時(shí)間一定，固溶溫度越高，溶質(zhì)原子的固溶程度越高，在時(shí)效過(guò)程中越有利于β''相的析出，越有利于提高基體的力學(xué)性能。根據(jù)該理論，結(jié)合其中數(shù)據(jù)可得，固溶溫度為555℃時(shí)A356鋁合金試樣的應(yīng)力集中最小。當(dāng)固溶溫度達(dá)到560℃時(shí)，析出相β''轉(zhuǎn)變?yōu)榕c基體是非共格關(guān)系的β相，出現(xiàn)過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，對(duì)基體的強(qiáng)化作用減弱，故而應(yīng)力集中增大。

　　因此得到與以上分析相符的結(jié)論，固溶溫度為555℃時(shí)固溶強(qiáng)化效果最佳。固溶溫度為555℃下保溫2h，之后進(jìn)行170℃×7h時(shí)效處理得到的殘余應(yīng)力分布。可知，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后的A356鋁合金，其長(zhǎng)軸向端面的殘余應(yīng)力約為77MPa，比淬火之后的應(yīng)力值要降低約20MPa，鋁合金內(nèi)部應(yīng)力接近于0，棱邊的拉應(yīng)力基本消除。由此得出，時(shí)效處理能有效的消除鋁合金試樣表面的殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，降低A356鋁合金在工程結(jié)構(gòu)中的使用壽命。

　　3拉伸模擬結(jié)果與分析

　　熱處理模擬后，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸模擬，對(duì)鑄態(tài)以及熱處態(tài)的A356鋁合金試樣進(jìn)行拉伸模擬，得到A356鋁合金的應(yīng)力-時(shí)間曲線，應(yīng)力大小即表示A356鋁合金抗拉強(qiáng)度大小。鑄態(tài)A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度最小，約為200MPa，經(jīng)過(guò)固溶、時(shí)效熱處理的A356鋁合金，其抗拉強(qiáng)度均高于鑄態(tài)A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明熱處理提高了A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度。固溶溫度不同，對(duì)A356鋁合金抗拉性能的影響程度也不同，這主要與熱處理后A356鋁合金的組織狀態(tài)有關(guān)，即與Mg2Si相的溶解過(guò)程和Si形態(tài)的變化過(guò)程這兩個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程有關(guān)。當(dāng)固溶溫度為540℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度也較低，約261MPa。這是因?yàn)楣倘軠囟容^低，原子擴(kuò)散緩慢，Mg2Si相難于溶解在基體α-Al中，固溶強(qiáng)化作用較弱，此時(shí)Si形態(tài)的變化不明顯。

　　隨著固溶溫度的升高，A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度有所提高，這時(shí)因?yàn)闇囟仍礁�，Mg2Si相越容易溶于基體α-Al中，固溶強(qiáng)化效果越明顯，此時(shí)共晶Si顆粒的分布更彌散，尺寸更細(xì)小。隨著固溶溫度提高到560℃，此時(shí)A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度反而降低，這時(shí)因?yàn)榇藭r(shí)Mg2Si相溶于基體α-Al中引起的強(qiáng)化效應(yīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，該溫度下Si顆粒的粗化對(duì)A356鋁合金抗拉強(qiáng)度的提高起阻礙作用。因此，在固溶溫度為555℃時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，約為300MPa。

　　當(dāng)固溶溫度達(dá)到560℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度反而降低，說(shuō)明固溶溫度為555℃時(shí)，A356鋁合金的拉伸性能最好。將不同固溶溫度處理后的A356鋁合金試樣拉伸模擬結(jié)果、實(shí)際拉伸試驗(yàn)結(jié)果以及未經(jīng)過(guò)熱處理的A356鋁合金試樣拉伸結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，模擬研究得到的A356鋁合金抗拉強(qiáng)度與實(shí)際拉伸試驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致，由于實(shí)際試驗(yàn)操作過(guò)程中，受環(huán)境因素以及拉伸試驗(yàn)機(jī)自身的限制，造成試驗(yàn)與模擬結(jié)果存在稍許偏差，但誤差范圍在±3MPa內(nèi)，屬于正常允許范圍。說(shuō)明本文所建立的A356鋁合金熱處理有限元模型具有較高的準(zhǔn)確度，能夠?qū)�A356鋁合金試樣熱處理過(guò)程中殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算模擬。

　　4結(jié)論

　　(1)A356鋁合金在加熱過(guò)程中，長(zhǎng)軸向端面與橫截面方向溫度變化規(guī)律相似：距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)的位置溫度越高，在表面區(qū)域溫度最高，中心區(qū)域溫度最低。

　　(2)A356鋁合金經(jīng)固溶處理后，能有效消除其表面的殘余應(yīng)力，尤其是模型棱邊處的殘余應(yīng)力可基本消除。在固溶溫度為555℃時(shí)，合金的表面殘余應(yīng)力最小。淬火時(shí)由于材料內(nèi)外降溫速率相差較大，會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。時(shí)效處理后，材料表面的殘余應(yīng)力基本消除，可有效避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，延長(zhǎng)合金在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的使用壽命。

　　(3)經(jīng)555℃×2h固溶處理的A356鋁合金，其抗拉強(qiáng)度能達(dá)到300MPa，與實(shí)際拉伸試驗(yàn)結(jié)果相近，驗(yàn)證了本文建立的A356鋁合金熱處理有限元模型具有較高的準(zhǔn)確度。

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　　作者：路林1,2,高波1,陳杼鑫1,李昌發(fā)3

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