7075铝合金厚板淬火温度场及热应力场的数值模拟

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水 温 )" * * *
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系数 数值
热传导系数 1* ・ （% ・ 泊松比 ! 1* ・ ・ （% ・( ） ・ .23 % 1 , .% .4 %1 ) )$*" 5 - $6 1 # !* - "67 " - ,,
表# 水 温 密度 .23 ・ %1 , *""" - #) 77’ - #7 7!’ - "$
第!期
胡少虬等
)’)" 铝合金厚板淬火温度场及热应力场的数值模拟
#4
的芯部最高温度依次为 !"# $ %!! & 、 差别明显增大， 值得注意的是， !’% $ "() & 、 !%* $ *"’ & ， +’ & 水淬火 芯部温度最低， 而且 !’ & 水淬火芯部温度最高 $ 其原因是在 ( , 时间内， !’ & 水温率先进入蒸汽膜阶段， 蒸汽膜阶段时间比另两组时间长， 于是 !’ & 水淬火芯部温度最高 $ *’ & 水的蒸汽膜阶段时间最短， 但 是水温比 +’ & 水温度高， 在蒸汽膜阶段结束后热传导速度不如 +’ & ， 所以 ( , 时芯部温度比 +’ & 水淬 火芯部温度高 $ 因此， 在不同的换热系数和初始水温综合影响之下， 淬火 ( , 时， +’ & 水淬火芯部温度最 低， !’ & 水淬火芯部温度最高， *’ & 水淬火芯部温度居中 $ 但是对于外表面而言， +’ & 水淬火外表面温 度居中， 于是就外表面和芯部的温差而言， !’ & 水淬火外表面温度最低， *’ & 水淬火外表面温度最高， 以 +’ & 水淬火温差最低， !’ & 水淬火温差最高， *’ & 水淬火温差居中 $ 从图 +、 图 " 可见三个试样从表层到芯部的温度变化都不是线性的， 其中 !’ & 的温度下降曲线斜率 最大， 斜率越大说明温度下降越快， 并且是边缘温度迅速下降， 而芯部温度变化很 *’ & 次之， +’ & 最小， 小， 可见温度下降很不均匀， 从而会产生热应力 $
【 67,/%(’/】 K9 B=C =C=8IL9 CEM9?@B=88I =88 >9MN9?=>E?9 =CD >F9?M=8 A>?9AA9A ;@98DA @C >F9 N?7B9AA 7; !"!# =8EM@CEM =8O 87I >F@BP N8=>9A QE9CBF@C: @C R=>9? @C H@?>E9 7; >F9 ;@C@>9 989M9C> N?7:?=M ./010，?9;9? >7B7CH9B>@7C B79;;@B@9C> BE?H9A >F=> B7M9 ;?7M @A7>F9?M=8 B7MN?9AA@7C >9A> => *899S89 T $#"" >F9?M=8 T M9BF=C@B=8 A@ME8=>7?& -I .C=8IL@C: CEM9?@B=88I R@>F7E> ?9:=?D >7 D9;7?M=>@7C M7D98，R9 M=P9 B89=? >F9 D@;;9?9CB9 7; >F9 9;;9B> 7; QE9CBF@C: M9D@EM R=>9? RF9C R=>9? >9MN9?=>E?9 @A %" 2 、 ’" 2 =CD (" 2 & 3F9 ?9AE8>A @CD@B=>9 >F=> R9 B=C :9> >@N>7N 7; >9MN9?=>E?9 =CD >F9 M@C@MEM >F9?O M=8 A>?9AA9A ;@98DA =CD >9MN9?=>E?9 D@;;9?9CB9 ;?7M H9?:9 >7 S7DI B9C>9?，RF9C R=>9? >9MN9?=>E?9 @A ’" 2 =CD :9> C9=N 7; >9MN9?=>E?9 =CD >F9 M=U@MEM RF9C R=>9? >9MN9?=>E?9 @A %" 2 & 8$+ 9-%1,： !"!# =8EM@CEM =887I； QE9CBF@C:； >9MN9?=>E?9 ;@98DA； >F9?M=8 A>?9AA9A ;@98DA； V,<
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） 解释如下： 对换热系数 （单位 # （ . % (） 以水温 $" ( 淬火为例， 淬火开始时， 水被迅速汽化， 以气泡的方式带走大量热量， 所以换热系数很 高， 所以 ’$" ( 至 ’*" ( 时的换热系数为 )’ + )*， 气泡逐步变小， 所以换热系数也逐 ’$" ( 至 ’*" ( 时， 但是当水温下降一定阶段后， 将不再产生气泡， 而是在 !"!# 铝合金厚板表面形成一 步变小， 为 )* + **， 层蒸汽膜， 该蒸汽膜换热系数很低， 完全隔绝了水和铝合金的热交换， 使热量无法及时排出工件， 所以 从 )!" ( 时开始， 蒸汽膜逐渐破裂， 进入铝合金与水热对流阶段， ,$# ( 至 )!" ( 时的换热系数为 $ + **， ［5， 7］ ， 所以 )!" ( 至 **" ( 时的换热系数为 *$ + **， 又开始以较大换热系数进行热交换 *"" ( 以下为自然 冷却， 换热系数为 *， 表中所取系数为拐点值 -
第 %4 卷 第 % 期 %""’ 年 4 月
湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报 /=>E?=8 0B@9CB9 W7E?C=8 7; X@=C:>=C GC@H9?A@>I
Y78& %4 /7& % WEC9 %""’
!"!# 铝合金厚板淬火温度场 及热应力场的数值模拟
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胡少虬$ ，
张
% 辉$， ，
: 求解条件
:;: 基本假设 为了计算出理想状态的热应力， 本论文对 !"!# 铝合金的水淬过程予以简化， 设定淬火过程中水温 不发生变化， 而且不考虑因为热应力超过屈服极限而引起的塑性变形， 同时只计算 1 方向的热应力 &
%"") $% $% ! 收稿日期： 基金项目： 国家重点基础研究发展规划 （5!)） 项目 （ *$555"4’5"(） 万方数据 作者简介： 胡少虬 （$5!# ） ， 男， 湖南 长沙人， 硕士研究生 &
水的性能参数
1* 1* 比热 .8 ・ （23 ・( ） 热导率 ./ ・ （% ・ 0）
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试验测出的 %&%’ 铝合金厚板水淬换热系数
!"!# 铝合金厚板温度 " .( **" ) *, *)" *! *$ *, *,# ! *5" $ *$" *# )"" )7" *! *, )* $ )* ,#" ,5" ,$# ’*" ’$" )$ )’ )’
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第)期
胡少虬等
!"!# 铝合金厚板淬火温度场及热应力场的数值模拟
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材料及性能
淬火温度为 ’$" ( ， 将分别在 )" ( 、 !"!# 铝合金厚板试样的外形尺寸为 $" %% & ’" %% & $ %%， ’" ［, + $］ 各性能参数见表 * + , ( 、 $" ( 的水中淬火， 表 * !"!# 铝合金厚板的性能参数 !"!# 铝合金厚板的性能参数如表 * !"!# 铝合金厚板 ’" ( 时的比热为 $!* ・( ， ・( ， ’, 8. 23 *"" ( 时的比热为 75" 8. 23 通过插值计算 )" ( 时的比热为 $’* - 7* 8. 23 ・( ， ・( $" ( 时的比热为 7," - ’$ 8.23 水的性能参数如表 ) 以往各种文献上采用的换热系数都是常 数， 而本课题采用使用 9:;;<=*#"" 热模拟试 验机测出的 !"!# 铝合金厚板水淬换热系数 进行数值模拟， 换热系数如表 , 表$