A356 铝合金热处理工艺的数值模拟

高强铸造铝合因铸造性能优异、耐腐蚀性能好、强重比高，且制造成本低，易于成型等特点，在汽车和航空工业领域得到了日益广泛的应用[1-4]。 其中，A356 铝合金具有优良的铸造流动性及气密性，以及收缩率小、热裂倾向小等优点，经过变质和热处理工艺后，具有优异的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能， 成为铸造铝合金中使用最广泛的铝合金之一[5-6]。

近年来，随着汽车行业的迅速发展，对汽车质量要求也越来越高，轮毂作为汽车重要的零部件之一，承受着汽车行驶过程中的主要载荷， 因而对轮毂的性能要求也越来越要求高质量。 热处理工艺可作为提高构件性能的重要加工工序， 通过试验方法测试时，需要对不同热处理工艺条件下的轮毂进行试验，试验周期性长且成本高，操作不当，还会产生试验错误，影响试验结果与判断。 采用有限元分析，可确定材料是否满足设计要求，有效缩短生产周期，降低生产成本，提高生产效率的效果。 目前，预测和控制铸造铝合金构件热处理工艺后的残余应力及淬火变形等问题一直是有限元分析研究的热点之一。 本文采用有限元分析的方法， 运用Abaqus 有限元仿真软件， 对A356 铝合金热处理后的残余应力大小和分布情况及淬火变形的温度场变化规律进行了仿真模拟；同时，对A356 铝合金进行了拉伸过程的模拟，将拉伸结果与实际试验的拉伸结果进行对比。 此研究可为开发高性能的铸造铝合金材料提供参考。

1 A356 铝合金热处理仿真模型

1.1 试验材料及方法

本试验选用A356 铸造铝合金为研究对象，其主要的化学成分见表1。A356 铝合金试样的尺寸如图1 所示。因研究模型试样为轴对称图形，为能更快计算出模拟结果，采用1/4 模型进行模拟分析。

图1 A356 铝合金试样的尺寸（mm） 
Fig.1 Dimensions of A356 aluminium alloy specimens （mm）

表1 A356 铸造铝合金的化学成分（质量分数，%） 
Tab.1 Chemical composition of A356 cast aluminum alloy （wt%）

本研究中热处理工艺为：固溶温度分别为540、545、550、555、560 ℃，加热保温2 h 后水淬，之后再进行170℃×7h 的时效处理。模拟热处理完成后，对试样进行拉伸模拟， 得到不同固溶温度下试样的应力-时间曲线， 并将模拟结果与实际拉伸试验结果进行对比。

1.2 有限元分析模型

A356 铝合金的密度为2.7 g/cm3， 泊松比为0.33。 热处理工艺模拟过程用到的模拟参数见表2。

表2 热处理工艺模拟参数
Tab.2 Simulation parameters of heat treatment process

本次模拟运用Abaqus 有限元分析软件对A356铝合金进行热固耦合分析， 不考虑铸件表面粗糙度带来的影响，先进行热处理工艺的传热分析，再直接将传热分析计算得到的ODB 文件进行残余应力分析。 计算模拟过程为：造型与划分网格→输入热物性参数→施加热学边界条件→确定收敛温度→计算温度场→输出结果→保存文件→输入热力学性能参数→加载工艺参数→输出结果[7]。 热处理工艺及残余应力分析分别采用DC308 线性传热六面体单元和C3D8R 线性六面体单元进行计算。

拉伸模拟时，将试样一端完全固定，另一端施加5mm/s 的速度进行拉伸，通过场输出结果得到不同固溶温度下试样的应力-时间曲线， 并将模拟数据与实际试验结果进行对比分析。

2 模拟结果与分析

2.1 温度场分析

对A356 铝合金555℃固溶处理进行温度场分析，图2 为A356 铝合金温度场分析点位置示意图，图3 为A356 铝合金固溶处理的温度变化曲线。 选取铝合金试样中心点a 和长轴向端面的端点b，得到试样长轴向温度变化曲线，结果如图3（a）所示。选取中心点a 和试样表面上的点c， 得到试样横截面方向的温度变化曲线，结果如图3（b）所示。 当加热相同时间，长轴向端面距离中心点位置越远，温度就越高。 沿着试样横截面方向，由图3（b）可以发现，横截面方向的温度变化与长轴向端面的温度变化出现相似规律：距离中心点a 越远，温度越高。可见，在加热过程中，试样表面温度最高，试样中心区域温度最低。

图2 A356 铝合金温度场分析点位置示意图
Fig.2 Diagram of location of A356 aluminum alloy temperature field analysis point

图3 A356 铝合金固溶处理的温度变化曲线
Fig.3 Temperature variation curves of A356 aluminum alloy solution treatment

2.2 残余应力分析

对A356 铝合金试样进行固溶处理和淬火处理模拟计算， 得到其残余应力分布， 结果如图4、5 所示。 图4 为试样在不同固溶温度处理后残余应力分布。图5 为淬火后的残余应力分布。铸态铝合金因在成型过程中压力及温度变化不同， 导致出现分布松散的枝状晶体及结状的大颗粒晶体。 因而在Al-Si合金没有变质前，针片状形态的共晶Si 会严重割裂基体α-Al，从而产生应力集中，降低A356 铝合金的力学性能。 而经过热处理的A356 铝合金， 受热均匀，受力大小也基本一致。 由图4 可看出，随着固溶温度的升高，A356 铝合金表面的残余应力越小。 这是因为温度越高，A356 铝合金基体内的溶质原子扩散越快，Mg2Si 相越易溶于基体α-Al 中。 同时，对比图4 中的图片可知， 随着固溶温度的升高，A356 铝合金棱边处的红色（彩图见电子版）面积减少，说明固溶处理在消除试样表面残余应力方面具有很好的效果，尤其是试样棱边处的残余应力可基本消除，且随着加热温度的升高，消除应力的效果越时显。但当温度达到560℃时，试样表面的残余应力反而增大，说明温度过高， 固溶处理消除应力的效果反而会下降。可见，固溶处理消除应力的效果与固溶温度并不成线性关系， 存在固溶强化效果的最佳温度，即555℃时固溶强化效果最佳。

图4 固溶处理后试样的残余应力分布（MPa） 
Fig.4 Residual stress distribution of samples after solution treatment （MPa）

图5 淬火处理后试样的残余应力分布（MPa） 
Fig.5 Residual stress distribution of samples after quenching treatment （MPa）

为保留固溶组织，避免晶粒长大，固溶处理后对试样迅速进行淬火，淬火后的应力分布如图5 所示。可以明显看出，淬火后试样的残余应力变化明显。这是因为淬火时试样的表面温度迅速下降， 而中心部位温度下降缓慢导致试样内外的降温速率差大，使试样表面产生较大的拉应力。由图5 还可以看出，在540～555 ℃，随着加热温度的升高，试样表面残余应力不断减小，在加热温度为540℃时，试样表面的最大应力大约为99MPa，加热温度为555℃时，最大应力约为98MPa。 当加热温度达到560℃时，试样表面的残余应力约100MPa，高于555℃时的应力，故得出固溶温度为555℃时的固溶强化效果最佳。

2.3 时效分析

A356 铝合金试样经固溶处理后， 再对其进行170℃×7h 的时效处理， 其中7h 为有效保温时间。设定初始温度为25℃，换热系数为0.2×103W/（m2·K），时间为1s，比热容0.88×103J/（kg·K）。 不同固溶温度处理后的A356 铝合金试样经过时效处理后的应力集中最大值见表3。 相比于固溶处理，时效处理后A356 铝合金性能主要与析出相β''有关。 根据传统的β'' 相析出理论[8]，固溶保温时间一定，固溶温度越高，溶质原子的固溶程度越高，在时效过程中越有利于β''相的析出， 越有利于提高基体的力学性能。 根据该理论，结合表3 中数据可得，固溶温度为555℃时A356 铝合金试样的应力集中最小。 当固溶温度达到560℃时，析出相β''转变为与基体是非共格关系的β 相，出现过时效现象，对基体的强化作用减弱，故而应力集中增大。 因此得到与以上分析相符的结论，固溶温度为555℃时固溶强化效果最佳。

表3 A356 铝合金试样的时效模拟结果
Tab.3 Aging simulation results of A356 aluminum alloy samples

固溶温度为555℃下保温2h，之后进行170℃×7h 时效处理得到的残余应力分布如图6 所示。 可知，经过时效处理后的A356 铝合金，其长轴向端面的残余应力约为77MPa，比淬火之后的应力值要降低约20MPa，铝合金内部应力接近于0，棱边的拉应力基本消除。 由此得出， 时效处理能有效的消除铝合金试样表面的残余应力，避免应力集中产生裂纹，降低A356 铝合金在工程结构中的使用寿命。

图6 时效处理后A356 铝合金试样的残余应力分布（MPa） 
Fig.6 Residual stress distribution of A356 aluminum alloy samples after aging treatment （MPa）

3 拉伸模拟结果与分析

热处理模拟后，对试样进行拉伸模拟，对铸态以及热处态的A356 铝合金试样进行拉伸模拟， 得到A356 铝合金的应力-时间曲线，如图7 所示。图7 中的应力大小即表示A356 铝合金抗拉强度大小。 根据图7 可知，铸态A356 铝合金的抗拉强度最小，约为200MPa，经过固溶、时效热处理的A356 铝合金，其抗拉强度均高于铸态A356 铝合金的抗拉强度，说明热处理提高了A356 铝合金的抗拉强度。 固溶温度不同， 对A356 铝合金抗拉性能的影响程度也不同， 这主要与热处理后A356 铝合金的组织状态有关，即与Mg2Si 相的溶解过程和Si 形态的变化过程这两个动态过程有关。从图7 还可以看出，当固溶温度为540℃时，抗拉强度也较低，约261MPa。 这是因为固溶温度较低，原子扩散缓慢，Mg2Si 相难于溶解在基体α-Al 中，固溶强化作用较弱，此时Si 形态的变化不明显。 随着固溶温度的升高，A356 铝合金的抗拉强度有所提高， 这时因为温度越高，Mg2Si相越容易溶于基体α-Al 中， 固溶强化效果越明显，此时共晶Si 颗粒的分布更弥散，尺寸更细小。 随着固溶温度提高到560℃，此时A356 铝合金的抗拉强度反而降低，这时因为此时Mg2Si 相溶于基体α-Al中引起的强化效应达到饱和状态，该温度下Si 颗粒的粗化对A356 铝合金抗拉强度的提高起阻碍作用。 因此，在固溶温度为555℃时抗拉强度最大，约为300MPa。 当固溶温度达到560℃时，抗拉强度反而降低， 说明固溶温度为555℃时，A356 铝合金的拉伸性能最好。

图7 不同状态下A356 铝合金的应力-时间曲线
Fig.7 Stress time curves of A356 aluminum alloy in different states

将不同固溶温度处理后的A356 铝合金试样拉伸模拟结果、 实际拉伸试验结果以及未经过热处理的A356 铝合金试样拉伸结果进行对比， 结果见表4。 根据表4 可以看出，模拟研究得到的A356 铝合金抗拉强度与实际拉伸试验得到的结果基本一致，由于实际试验操作过程中， 受环境因素以及拉伸试验机自身的限制， 造成试验与模拟结果存在稍许偏差，但误差范围在±3MPa 内，属于正常允许范围。说明本文所建立的A356 铝合金热处理有限元模型具有较高的准确度， 能够对A356 铝合金试样热处理过程中残余应力进行计算模拟。

表4 A356 铝合金的抗拉强度
Tab.4 Tensile strength of A356 aluminum alloy

4 结论

（1） A356 铝合金在加热过程中，长轴向端面与横截面方向温度变化规律相似： 距离中心点越远的位置温度越高，在表面区域温度最高，中心区域温度最低。

（2） A356 铝合金经固溶处理后，能有效消除其表面的残余应力， 尤其是模型棱边处的残余应力可基本消除。 在固溶温度为555℃时，合金的表面残余应力最小。淬火时由于材料内外降温速率相差较大，会导致材料产生较大的拉应力。时效处理后，材料表面的残余应力基本消除， 可有效避免应力集中产生裂纹，延长合金在工程结构应用中的使用寿命。

（3） 经555℃×2h 固溶处理的A356 铝合金，其抗拉强度能达到300MPa， 与实际拉伸试验结果相近， 验证了本文建立的A356 铝合金热处理有限元模型具有较高的准确度。