[发明专利]模拟水淬火期间的铝铸件的瞬时热传递和温度分布的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于精确地计算铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法，更具体地，涉及用于计算在水淬火期间的铸造铝合金的瞬时热传递和温度分布的方法。

背景技术

铝合金铸件广泛用于汽车工业以减小重量并改进燃料效率。为了改进机械性能，铝铸件经常受到全T6/T7温度处理，其包括以相对高温的固溶处理，在例如水的冷介质中淬火，然后在中间温度时效硬化。大量残余应力能够在铝铸件淬火时（尤其是在水中）在铝铸件中产生。如2007年在Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515上的Li, P., Maijer, D. M., Lindley, T. C. 的“Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and its Impact on Fatigue Life”；2009年在SAE International Journal of Materials & Manufacturing, 1(1) pp. 725-731上的Li, K., Xiao, B.和Wang, Q. 的“Residual in As-Quenched Aluminum Castings”。残余应力的存在，尤其是拉伸残余应力的存在会对结构部件的性能产生很大的不利影响。在很多情况下，高拉伸残余应力还会导致部件的严重扭曲，并且它们甚至会导致淬火期间或随后的制造工艺期间的破裂。如2007年的Metallurgical and Materials Transactions B, 38(4) pp. 505-515上的Li, P., Maijer, D. M., Lindley, T. C.的“Simulating the Residual Stress in An A356 Automotive Wheel and Its Impact on Fatigue Life”；2005年的Elsevier Butterworth-Heinemann, pp. 402上的Lee, Y.L., Pan, J., Hathaway, R.的“Fatigue Testing and Analysis: Theory and Practice”。

铸造铝部件在淬火期间产生的残余应力和扭曲量显著地取决于淬火期间的淬火速度和铸造的温度分布的不均匀程度。淬火期间铝铸件的热传递包含传导、对流、辐射甚至相变，这取决于淬火介质。在水淬火工艺中，铝铸件的热传递包含至少三个主要阶段，其包括膜状沸腾（1），泡核沸腾（2）和对流（3），如图1所示。如2002年的McGraw-Hill, New York, pp. 665上的Holman, J.P.的“Heat Transfer”。

这些阶段的每个都具有非常不同的特性。第一阶段冷却的特征在于在部件周围形成气相膜（蒸气）。这是相对缓慢的冷却时段，在这期间热传递由辐射和通过气相（蒸气）覆盖层发生。然而，随着气相（蒸气）膜的厚度增加，稳定的蒸气膜最终破坏，并且水与热金属表面接触，导致泡核沸腾和高热排热速度。随着连续沸腾，金属表面温度快速降低到沸腾停止的点并且热量通过对流到水中而除去。结果，在该阶段期间热量被非常缓慢地除去。