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7050铝合金厚板淬火温度场及内应力场的数值模拟研究

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第一章绪论

1.1引言

1.2 7XXX系铝合金的研究现状

1.3铝合金淬火工艺的基本原理

1.3.1固溶热处理与淬火

1.3.2影响铝合金淬火效果的主要因素

1.4残余应力的研究现状

1.4.1残余应力的定义与分类

1.4.2残余应力的产生机理

1.4.3残余应力对材料性能的影响

1.4.4残余应力的调整与消减技术

1.4.5残余应力的测试与评估技术

1.5淬火过程的数值模拟技术

1.5.1热处理过程的数值模拟技术现状

1.5.2 MSC.Marc软件简介

1.6本论文的课题来源、内容与技术路线

1.6.1课题来源

1.6.2研究内容

1.6.3技术路线

第二章7050合金材料性能的测试试验

2.1 7050铝合金热/力模拟试验

2.1.1热/力模拟试验装备的基本要求

2.1.2 Gleeble热/力模拟试验机使用概况

2.1.3 7050合金的高温压缩试验

2.1.4热/力模拟试验结果及分析

2.2材料热物理性能测试试验

2.2.1热物理性能测试在材料研究中的应用

2.2.2 JR-3热物性测试仪

2.2.3闪光法测量热常数

2.2.4热物性测试的操作流程

2.2.5实验结果

2.3本章小节

第三章7050铝板淬火过程的数值模型

3.1淬火时热传导的数值模型

3.1.1热传导问题的数学描述

3.1.2热传导问题的有限元离散

3.1.3热传导方程的时间积分方案

3.2热应力分析的有限元描述

3.3热处理模拟时的数值振荡问题

3.3.1数值振荡概念及种类

3.3.2数值振荡问题的解决方法

3.4 Marc软件建立铝板淬火过程的计算机模型

3.4.1基本假设条件

3.4.2铝板淬火的Marc模型

3.4.3计算框图

3.5 Marc温度场求解模型的试验验证

3.5.1 7050合金末端淬火模型

3.5.2淬火冷却过程中的表面换热系数

3.5.3结果对比

3.6本章小结

第四章7050铝厚板淬火数值模拟的结果及分析

4.1铝板淬火温度场的求解结果与分析

4.1.1不同厚度铝板心部的冷却速度

4.1.2淬火界面传热对温度场的影响

4.1.3冷却过程的温度梯度特征

4.2铝厚板淬火热应力场的求解结果与结论

4.2.1淬火界面传热对应力演变的影响

4.2.2铝板淬火过程中的不均匀应变

4.2.3铝板淬火终态的残余应力

4.3本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

硕士期间课题研究成果

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摘要

高强高韧、低残余应力的7050铝合金预拉伸板是现代航空、武器装备工业必不可少的关键材料。这种合金经过固溶热处理、淬火及后续的时效强化后大大提高了其强度。然而快速冷却虽然保证了合金良好的力学性能,但温度梯度会造成很高的残余应力。降低冷却速度会减小残余应力,但也降低了其力学性能,特别是对于淬火敏感的合金。因此理想的淬火应该是尽量减小残余应力并且提高合金的强度。 本文在Gleeble-1500热模拟试验机及JR-3热物性测试仪上分别测得了7050合金的主要力学性能和热物性参数。借助有限元分析软件MSC.Marc,建立了7050铝合金厚板淬火过程中的温度场、内应力场的计算机模型,并对计算模型进行了一定的优化。 结果表明:淬火过程中表面金属都经历从拉应力转变到压应力的过程,心部金属都经历从压应力转变为拉应力的过程,并最终呈现表面压应力、心部拉应力的空间分布特征。 界面换热条件对铝板表面冷速及应力演变的影响远远高于心部。过大的表面换热强度会大大增加铝板的残余应力,而不能明显提高铝板的冷却速度,特别是心部的冷却速度。如对于120mm厚板,换热系数(W/(m<'2>·°C))取10000与15000时,铝板心部冷却速度的差别不超过2﹪,而残余应力增大了10﹪以上。淬火工艺应根据材料组织、强度要求选取合适的外场条件,尽量减少淬火留下的残余应力。

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