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7050铝合金材料喷淋淬火的试验与模拟研究

作　者: 郭世贵
导　师: 邓运来
学　校: 中南大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 7050铝合金厚板喷淋淬火淬透性换热系数温度场
分类号: TG156.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

7050高强铝合金厚板喷淋淬火的淬透性与残余应力协调控制是制备该材料的一个关键技术。本文设计了喷淋压力(p)与喷淋表面流量密度(qs)作为独立参数的7050铝合金末端喷淋淬火试验,研究了p、qs和喷嘴大小(d)对喷淋表面换热系数的影响；为了验证和修正测试与数值解析相结合求解喷淋表面中心点的换热系数,用有限元ABAQUS软件对喷淋淬火工艺进行了温度场的模拟和修正,同时也对淬火工艺进行了应力场的模拟研究；并设计了双级淬火工艺调控喷淋淬火试样表面换热系数试验,研究了双级淬火工艺的冷却机理。主要的结论如下：(1)表面换热系数在喷淋端面温度100-150℃范围内具有最大值(hmax),hmax波动范围为20000-50000W.m-2·℃-1；建立了反映p和qs影响换热系数规律的hmax-p-qs三维关系图；采用喷淋表面面积与喷嘴面积的比值k反映喷嘴大小对换热系数影响,建立了hmax-k-qs三维关系图；hmax-p-qs和hmax-k-qs关系图可以方便为喷水淬火参数(p、qs、k等)的设计提供参考。(2)运用一维反传热模型测算了7050铝合金末端喷水淬火时表面换热系数与表面温度的关系曲线,提出了表面换热系数的二维分布模型,建立了该模型运用于ABAQUS有限元软件包的用户子程序。有限元模拟与实测的冷却曲线表明,具有正态分布特征的表面换热系数二维分布模型预测的冷却曲线与实测结果的误差最小,表明本文建立的喷水淬火表面换热系数二维分布模型准确可靠,为研究7050铝合金材料喷水淬火工艺控制打下了基础。(3)双级淬火工艺中采用先高压后低压喷淋工艺的冷却效果优于单级和先低压后高压喷淋工艺,其主要机理是双级淬火工艺的动态调节改善了喷淋端面温度分布,使换热端面以相对较大和较长时间的表面换热系数进行换热,进而使淬火试样更容易淬透。因此合理设计喷淋淬火工艺是提高7050铝合金厚板的淬透深度的方法之一,进而提高厚板的淬透性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章文献综述  8-26
  1.1 金属材料淬火特性的表征  8-13
    1.1.1 表征金属材料淬火特性的指标  9-12
    1.1.2 金属材料末端淬火淬透性研究  12-13
  1.2 国内外淬火工艺的研究现状  13-19
    1.2.1 常规溶液淬火介质概述  13-14
    1.2.2 国内外喷淋淬火技术概述  14-16
    1.2.3 场效应淬火新技术概述  16-19
  1.3 国内外金属材料的淬火换热系数研究现状  19-21
  1.4 金属材料淬火数值解析研究现状  21-24
    1.4.1 铝合金厚板淬火温度场的数值模拟研究  21-22
    1.4.2 铝合金厚板淬火残余应力的数值模拟研究  22-24
    1.4.3 研究铝合金厚板淬火残余应力问题的困难  24
  1.5 本课题研究的目的与意义  24-26
第二章研究方法与实验过程  26-34
  2.1 研究方案  26
  2.2 技术路线与研究内容  26-28
  2.3 7050 铝合金末端淬火装置与方法  28-31
    2.3.1 试验材料与末端淬火试样制备  29-31
    2.3.2 喷淋介质水的末端淬火工艺参数  31
    2.3.3 固溶与淬火转移时间  31
  2.4 物性参数  31-34
第三章 7050铝合金试样末端喷淋淬火工艺  34-51
  3.1 单级喷淋淬火工艺参数的设计  34-35
  3.2 换热系数的求解  35-38
  3.3 实验结果与分析  38-45
    3.3.1 实测冷却曲线  38-40
    3.3.2 换热系数与表面温度的关系曲线  40-41
    3.3.3 喷水压力对换热系数的影响  41-42
    3.3.4 流量密度对换热系数的影响  42-43
    3.3.5 h_(max)-p-qs的关系  43
    3.3.6 喷嘴大小对h_(max)的影响  43-45
  3.4 双级末端喷淋淬火冷却的探索试验研究  45-49
    3.4.1 双级喷淋淬火工艺的设计  45-46
    3.4.2 两双级喷淋淬火工艺距喷淋端面60mm处的冷却曲线  46-47
    3.4.3 工艺3和工艺1、2距喷淋端面60mm处的冷却曲线  47-48
    3.4.4 双级喷淋淬火工艺的端面冷却曲线  48-49
    3.4.5 双级淬火工艺的换热机理  49
  3.5 本章小结  49-51
第四章 7050铝合金材料末端喷淋淬火冷却的模拟研究  51-62
  4.1 淬火工艺的温度场模拟研究  51-58
    4.1.1 冷却温度场模型的建立  51-53
    4.1.2 喷水端面上换热系数的二维分布模型  53-54
    4.1.3 温度场的ABAQUS有限元模拟  54-55
    4.1.4 模拟结果及分析  55-58
  4.2 末端淬火工艺参数对冷却温度场的影响  58-60
  4.3 本章小结  60-62
第五章喷淋工艺与板厚影响7050板材残余应力场模拟研究  62-69
  5.1 喷淋淬火应力场模型的建立  62-63
  5.2 喷淋淬火应力场模拟结果与分析  63-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章结论  69-70
参与的科研项目及发表的学术论文  70-71
参考文献  71-75
致谢  75

7050铝合金材料喷淋淬火的试验与模拟研究

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