A356鋁合金熱處理工藝的數值模擬

　　摘要：基于Abaqus有限元分析軟件，研究A356鋁合金經熱處理后的溫度變化規律以及殘余應力的大小和分布情況，并對A356鋁合金進行拉伸模擬，將得到的拉伸模擬結果與實際拉伸試驗結果進行對比分析。結果表明，固溶處理可以有效消除材料表面的殘余應力，尤其是可以基本消除合金棱邊處的殘余應力，而淬火后合金的殘余應力反而變大。經過時效處理后合金表面的殘余應力明顯減小，能有效避免裂紋的產生，在固溶溫度為555℃時鋁合金的殘余應力最小，約為77MPa，此時A356鋁合金的抗拉強度最大，約為300MPa，與拉伸試驗結果符合。采用有限元分析軟件對A356鋁合金的熱處理進行模擬分析，驗證最佳固溶溫度并計算出最小殘余應力，對抗拉強度進行預測，為工程結構應用可提供一定參考。

　　關鍵詞：A356鋁合金;固溶處理;時效處理;殘余應力;抗拉強度

　　高強鑄造鋁合因鑄造性能優異、耐腐蝕性能好、強重比高，且制造成本低，易于成型等特點，在汽車和航空工業領域得到了日益廣泛的應用[1-4]。其中，A356鋁合金具有優良的鑄造流動性及氣密性，以及收縮率小、熱裂傾向小等優點，經過變質和熱處理工藝后，具有優異的力學性能、物理性能、耐腐蝕性能和較好的機械加工性能，成為鑄造鋁合金中使用最廣泛的鋁合金之一[5-6]。

　　近年來，隨著汽車行業的迅速發展，對汽車質量要求也越來越高，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，因而對輪轂的性能要求也越來越要求高質量。

　　熱處理工藝可作為提高構件性能的重要加工工序，通過試驗方法測試時，需要對不同熱處理工藝條件下的輪轂進行試驗，試驗周期性長且成本高，操作不當，還會產生試驗錯誤，影響試驗結果與判斷。采用有限元分析，可確定材料是否滿足設計要求，有效縮短生產周期，降低生產成本，提高生產效率的效果。

　　目前，預測和控制鑄造鋁合金構件熱處理工藝后的殘余應力及淬火變形等問題一直是有限元分析研究的熱點之一。本文采用有限元分析的方法，運用Abaqus有限元仿真軟件，對A356鋁合金熱處理后的殘余應力大小和分布情況及淬火變形的溫度場變化規律進行了仿真模擬;同時，對A356鋁合金進行了拉伸過程的模擬，將拉伸結果與實際試驗的拉伸結果進行對比。此研究可為開發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試驗材料及方法

　　本試驗選用A356鑄造鋁合金為研究對象，其主要的化學成分。A356鋁合金試樣的尺寸。因研究模型試樣為軸對稱圖形，為能更快計算出模擬結果，采用1/4模型進行模擬分析。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，之后再進行170℃×7h的時效處理。模擬熱處理完成后，對試樣進行拉伸模擬，得到不同固溶溫度下試樣的應力時間曲線，并將模擬結果與實際拉伸試驗結果進行對比。

　　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。本次模擬運用Abaqus有限元分析軟件對A356鋁合金進行熱固耦合分析，不考慮鑄件表面粗糙度帶來的影響，先進行熱處理工藝的傳熱分析，再直接將傳熱分析計算得到的ODB文件進行殘余應力分析。計算模擬過程為：造型與劃分網格→輸入熱物性參數→施加熱學邊界條件→確定收斂溫度→計算溫度場→輸出結果→保存文件→輸入熱力學性能參數→加載工藝參數→輸出結果[7]。

　　熱處理工藝及殘余應力分析分別采用DC308線性傳熱六面體單元和C3D8R線性六面體單元進行計算。拉伸模擬時，將試樣一端完全固定，另一端施加5mm/s的速度進行拉伸，通過場輸出結果得到不同固溶溫度下試樣的應力-時間曲線，并將模擬數據與實際試驗結果進行對比分析。

　　2模擬結果與分析

　　2.1溫度場分析

　　對A356鋁合金555℃固溶處理進行溫度場分析，橫截面方向的溫度變化與長軸向端面的溫度變化出現相似規律：距離中心點a越遠，溫度越高。可見，在加熱過程中，試樣表面溫度最高，試樣中心區域溫度最低。

　　2.2殘余應力分析

　　對A356鋁合金試樣進行固溶處理和淬火處理模擬計算，得到其殘余應力分布，試樣在不同固溶溫度處理后殘余應力分布。為淬火后的殘余應力分布。鑄態鋁合金因在成型過程中壓力及溫度變化不同，導致出現分布松散的枝狀晶體及結狀的大顆粒晶體。因而在Al-Si合金沒有變質前，針片狀形態的共晶Si會嚴重割裂基體α-Al，從而產生應力集中，降低A356鋁合金的力學性能。而經過熱處理的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力越小。這是因為溫度越高，A356鋁合金基體內的溶質原子擴散越快，Mg2Si相越易溶于基體α-Al中。同時，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力方面具有很好的效果，尤其是試樣棱邊處的殘余應力可基本消除，且隨著加熱溫度的升高，消除應力的效果越時顯。

　　但當溫度達到560℃時，試樣表面的殘余應力反而增大，說明溫度過高，固溶處理消除應力的效果反而會下降。可見，固溶處理消除應力的效果與固溶溫度并不成線性關系，存在固溶強化效果的最佳溫度，即555℃時固溶強化效果最佳。為保留固溶組織，避免晶粒長大，固溶處理后對試樣迅速進行淬火，淬火后的應力分布。

　　可以明顯看出，淬火后試樣的殘余應力變化明顯。這是因為淬火時試樣的表面溫度迅速下降，而中心部位溫度下降緩慢導致試樣內外的降溫速率差大，使試樣表面產生較大的拉應力。還可以看出，在540～555℃，隨著加熱溫度的升高，試樣表面殘余應力不斷減小，在加熱溫度為540℃時，試樣表面的最大應力大約為99MPa，加熱溫度為555℃時，最大應力約為98MPa。當加熱溫度達到560℃時，試樣表面的殘余應力約100MPa，高于555℃時的應力，故得出固溶溫度為555℃時的固溶強化效果最佳。

　　2.3時效分析

　　A356鋁合金試樣經固溶處理后，再對其進行170℃×7h的時效處理，其中7h為有效保溫時間。設定初始溫度為25℃，換熱系數為0.2×103W/(m2·K)，時間為1s，比熱容0.88×103J/(kg·K)。不同固溶溫度處理后的A356鋁合金試樣經過時效處理后的應力集中最大值。

　　相比于固溶處理，時效處理后A356鋁合金性能主要與析出相β''有關。根據傳統的β''相析出理論[8]，固溶保溫時間一定，固溶溫度越高，溶質原子的固溶程度越高，在時效過程中越有利于β''相的析出，越有利于提高基體的力學性能。根據該理論，結合其中數據可得，固溶溫度為555℃時A356鋁合金試樣的應力集中最小。當固溶溫度達到560℃時，析出相β''轉變為與基體是非共格關系的β相，出現過時效現象，對基體的強化作用減弱，故而應力集中增大。

　　因此得到與以上分析相符的結論，固溶溫度為555℃時固溶強化效果最佳。固溶溫度為555℃下保溫2h，之后進行170℃×7h時效處理得到的殘余應力分布。可知，經過時效處理后的A356鋁合金，其長軸向端面的殘余應力約為77MPa，比淬火之后的應力值要降低約20MPa，鋁合金內部應力接近于0，棱邊的拉應力基本消除。由此得出，時效處理能有效的消除鋁合金試樣表面的殘余應力，避免應力集中產生裂紋，降低A356鋁合金在工程結構中的使用壽命。

　　3拉伸模擬結果與分析

　　熱處理模擬后，對試樣進行拉伸模擬，對鑄態以及熱處態的A356鋁合金試樣進行拉伸模擬，得到A356鋁合金的應力-時間曲線，應力大小即表示A356鋁合金抗拉強度大小。鑄態A356鋁合金的抗拉強度最小，約為200MPa，經過固溶、時效熱處理的A356鋁合金，其抗拉強度均高于鑄態A356鋁合金的抗拉強度，說明熱處理提高了A356鋁合金的抗拉強度。固溶溫度不同，對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鋁合金的組織狀態有關，即與Mg2Si相的溶解過程和Si形態的變化過程這兩個動態過程有關。當固溶溫度為540℃時，抗拉強度也較低，約261MPa。這是因為固溶溫度較低，原子擴散緩慢，Mg2Si相難于溶解在基體α-Al中，固溶強化作用較弱，此時Si形態的變化不明顯。

　　隨著固溶溫度的升高，A356鋁合金的抗拉強度有所提高，這時因為溫度越高，Mg2Si相越容易溶于基體α-Al中，固溶強化效果越明顯，此時共晶Si顆粒的分布更彌散，尺寸更細小。隨著固溶溫度提高到560℃，此時A356鋁合金的抗拉強度反而降低，這時因為此時Mg2Si相溶于基體α-Al中引起的強化效應達到飽和狀態，該溫度下Si顆粒的粗化對A356鋁合金抗拉強度的提高起阻礙作用。因此，在固溶溫度為555℃時抗拉強度最大，約為300MPa。

　　當固溶溫度達到560℃時，抗拉強度反而降低，說明固溶溫度為555℃時，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果、實際拉伸試驗結果以及未經過熱處理的A356鋁合金試樣拉伸結果進行對比，模擬研究得到的A356鋁合金抗拉強度與實際拉伸試驗得到的結果基本一致，由于實際試驗操作過程中，受環境因素以及拉伸試驗機自身的限制，造成試驗與模擬結果存在稍許偏差，但誤差范圍在±3MPa內，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確度，能夠對A356鋁合金試樣熱處理過程中殘余應力進行計算模擬。

　　4結論

　　(1)A356鋁合金在加熱過程中，長軸向端面與橫截面方向溫度變化規律相似：距離中心點越遠的位置溫度越高，在表面區域溫度最高，中心區域溫度最低。

　　(2)A356鋁合金經固溶處理后，能有效消除其表面的殘余應力，尤其是模型棱邊處的殘余應力可基本消除。在固溶溫度為555℃時，合金的表面殘余應力最小。淬火時由于材料內外降溫速率相差較大，會導致材料產生較大的拉應力。時效處理后，材料表面的殘余應力基本消除，可有效避免應力集中產生裂紋，延長合金在工程結構應用中的使用壽命。

　　(3)經555℃×2h固溶處理的A356鋁合金，其抗拉強度能達到300MPa，與實際拉伸試驗結果相近，驗證了本文建立的A356鋁合金熱處理有限元模型具有較高的準確度。

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　　作者：路林1,2,高波1,陳杼鑫1,李昌發3

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