本文摘要: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
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,隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)汽車質(zhì)量要求也越來越高,輪轂作為汽車重要的零部件之一,承受著汽車行駛過程中的主要載荷,因而對(duì)輪轂的性能要求也越來越要求高質(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?梢,在加熱過程中,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,說明溫度過高,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?芍,經(jīng)過時(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相的溶解過程和Si形態(tài)的變化過程這兩個(gè)動(dòng)態(tài)過程有關(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)闇囟仍礁撸琈g2Si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)356鋁合金試樣熱處理過程中殘余應(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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