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残余应力作用在低压铸造铝合金汽缸盖上导致的高循环疲劳裂纹的模拟与测量摘要充型凝固和铸造熔融合金冷却的不同,导致在可变部分所产生的铸造实践和设计不同的残余应力。
残余应力,如果不消除或减弱, 连同操作压力将会超过疲劳强度,最终导致过早的开裂。
研究淬火剂对残余应力的影响,随后汽缸盖淬火操作使用水,水-聚合物混合物和空气。
残余应力测量表明最高的应力在发生裂缝位置。
通过实验模拟结果进行验证测量残余应力的分布。
简介一般来说,轻型商用车和乘客汽车发动机缸盖使用铝合金铸件作为发动机子部件。
铝铸件在铸造过程中具有延展性。
残余应力在一个部件或结构中是不相容应力引起的内部永久性的拉紧。
他们在组件生命周期每一个阶段都可能会产生或改变,从原料生产到最终处理。
疲劳是一个术语用于在性质上的变化,指出现在一个金属材料由于重复承受压力或拉紧,但是通常这个术语特别适用于对那些变化导致的开裂或失效。
高循环疲劳(HCF)指的是在循环荷载作用下裂纹的传播,可塑性不是主要的变形机制-应力的基础。
CAE技术已经越来越多地被用来设计汽缸盖并避免过早失效。
残余应力可用无损检测技术,包括x射线衍射、中子衍射和磁性超声波方法;通过局部破坏性技术,包括钻孔环的核心和深孔法;以切片的方法包括块去除、分裂、切片、压条和轮廓方法。
选取最优测量技术应当考虑容积的分辨率,材料、几何和访问。
数值模拟的研究是一个残余应力预测的有力工具,但验证结果需参考实验结果是必然的。
模具充填、熔融金属凝固和冷却行为对残余应力的分布有不利的影响,导致气缸盖设计的复杂性。
()残余应力是铝缸盖高循环疲劳失效的主要原因、应尽量消除或减少。
气缸循环最大点火压力是主要的疲劳机制,如果结合最大残余应力在临界crosssections应力、失效是不可避免的。
Valve bridges, flame deck and oil deck是最可能失效的地方。
虽然淬火操作旨在降低初步的残余应力远低于铝合金疲劳极限,在热处理发动机部件中,残余应力在淬火热处理阶段都有重点介绍。
逆造型方法用于提取的热传递系数在缸盖和淬火介质之间根据实验热电偶测量。
由此获得的温度场作为输入(commercial code Magma)进行残余应力分析。
由此得出的从残余应力分析已经被用来克服气缸盖的失效。
Peugeot Citroën cylinder head(HDi柴油机共轨喷射发动机)是用数值方法定性分析了由于不同工艺的选择,T7的热处理工艺良率的相关信息的几何失真情况,这一点制造商非常感兴趣。
据说在制作过程中,例如如何解决实效淬火处理的热处理过程对零件残余应力的产生有很大的影响。
PSA Peugeot-Citroën [2]发展成一个方法,在T6-T7热处理铝汽车零部件过程中,来评估残余应力和扭曲的产生。
这个Abaqus有限元软件计算结果,建立在缸盖的基础上,遵照一下两个不同的步骤:热分析和机械分析。
比较仿真和实验测量,结果令人鼓舞。
利用数值模拟检验传热性能,并得到残余应力,Renata通过淬火标准对不同淬火油进行了探讨研究。
计算机仿真检验的潜在好处是可以在热处理工艺过程中,对不同的淬火剂和淬火条件进行预期。
提出了一种优化[4]的铝缸盖的方法,重点表现在过程模拟和性能模拟之间的紧密连接,通过一种综合的CAE方法来预期零件的使用期。
()对气缸盖铸件不同周期,不同熔炉的热处理的残余应力测量进行实验。
钠和锶用于GAS9C1合金的修改的方法已经用于柴油机缸盖的生产。
老化温度从180增加到220度(老化时间5 h),从而减少残余应力30 Mpa;当温度在180度时,老化温度升高相比老化时间从5小时延长到10小时更可以明显的降低残余应力的影响。
汽缸盖固溶处理后,在热水中(> 60°C)淬火和在较低的温度(T6180°C)回火,与用冷水淬火(RT大约20°C)和一个更高的温度(T7,220°C )回火,所产生的残余应力是相似的。
铝合金气缸盖的热处理残余应力和高循环疲劳通过运用计算模型的高循环疲劳的铝缸盖进行研究(柴油机)。
在PSA标致雪铁龙集团生产线进行的一系列冷却实验获得了一个简单的分析函数H=f(T[wall])。
实现参数识别,剩余的残余应力从一个简单的力学分析计算建立了强调在局部断裂失效的地方是可拉伸的,因此在水淬火的情况下对高循环疲劳的耐久性极为不利。
热处理工艺过程制造柴油和汽油发动机强烈要求具有良好的经济性和低排放性能。
铝合金在汽缸盖上的应用就是为了实现重量上的减轻。
然而,这些合金的机械性能低于传统的铸造铁合金,尤其是在更高的温度。
因此,铝合金汽缸盖更容易疲劳开裂。
过去,缝隙在水环、圆角区域,阀门桥梁等高应力集中的地区发现过。
淬火是热处理的重要阶段因为它对热残余应力起主导作用。
根据最小残余应力的产生原则,最有效的清除应力的方法就是空气淬火。
但是在空气上的投入和加工成本同比很高,如表1所见。
表一1比较淬火方法的材料的性质和花费不同部位的模具填充方式和冷却凝固,偶尔会导致极高的残余应力。
虽然这些应力在强化固溶之后几乎完全清除,但在接下来的淬火过程中会产生和先前一样大,甚至比铸造过程更大的应力。
如图1接下来的回火处理的温度太低,也不能减少这些应力。
如果压力没有消除或减少,连同发动机运转所产生的循环拉伸力,就会超过疲劳耐久极限,从而导致开裂。
淬火介质-通常,铝合金汽缸盖的制造锁采用T6热处理条件,如图3. 由于残余应力积累的影响,热处理淬火一步是很重要的。
一个有效的冷却过程去除残余应力的办法是采用空气淬火,但是相比水淬火和水聚合物淬火,它需要可观的投入和处理成本。
如果采用水处理,考虑到沸水作用在金属上,水浴温度应该是恒定的。
沸水使得气泡在热表面积累,根据众所周知的“毯子原理”阻止热量向冷却剂的传播。
通常,缸盖是位于浸泡在淬火槽的一个架上,气缸盖的位置由于冷却液流动和各个汽缸盖周围导热系数的改变对压力和硬度测量很敏感。
水,水聚合物和空气作为汽缸盖热处理淬火剂进行了实验。
当水作为淬火剂时,初始温度为73度,冷却剂在头部流动进行调整,使得热量传递系数沿头均匀分布。
同样,在水槽中聚合物相对于谁的浓度为12-15%时。
在不经聚合物回火时,冷却剂的初始温度为50,到了头部为67度。
聚合物淬火的浓度为12%,冷却曲线在462度时以67 C°/s的比率变化。
在空气淬火过程中,对气缸盖每一岸的,内外空间的温度和湿度进行对照,得出应力分布是均匀的。
仿真工作首先,仿真是为了检查和获得力——残余应力和应变计力的测量。
作为补充,仿真结果符合裂纹的测量位置,从而引导我们获得其他的而关键点。
有这样一些位置,它的裂纹很小甚至通过测量也无法获得例如()。
有一些假设仿真工作试验是为了提高其精度及可靠性,例如:•铸造的沙是免费(外表面清洁)•固溶处理足以达到一个应力游离状态•淬火工艺对内外区域利用不同的HTC(传热系数)进行模拟•应力弛豫是由于回火模拟采用0.7倍的淬火结果在仿真进行验证阶段对残余应力的根本原因的分析是确定的,应变仪的位置是确定的,应变仪测量的可靠性是确定的。
在热处理过程中,汽缸盖金属温度和淬火剂温度被记录,然后直接应用在仿真试验中,来获得相比测量更可靠的结果。
实验工作在这项研究中,进行了三组关于淬火剂对汽缸盖上残余应力的实验,表面和操作载荷一起可以导致提前开裂。
汽缸盖的制造应用AlSi10Mg和T6热处理技术。
铸造之后的第一步是打磨和清除毛刺。
第二步,为了便于清理操作,气门导管,气门座衬垫需精加工和装配。
准备第二步的目的是在模拟残余应力,在加工期间和收到装配压力的组件,例如气门导管,和气门座衬垫。
铸造工艺之后,头部经砂纸打磨,在测量应力之前进行热处理。
T6-T7热处理工艺包括在520°C是进行5小时的固溶处理,在任一种媒介中淬火和在160°C时冷却/回火4小时。
表2概括了汽缸盖对淬火剂的测试矩阵。
()测试气缸盖的仪器-铸造和热处理工艺之后,三套用来做淬火的汽缸盖用应变计进行了测量。
每一个进行实验的汽缸盖都会通过三个节和单轴的应变片进行测量。
这种量规能够测量部件的三种力和适于定位的不同尺寸的0.8x0.8 mm和1.0x1.0 mm,位置要求如图3()量规放在汽缸盖上最容易断裂的水环上-火力岸。
在油环的一侧,有三个密封塞孔(直径16mm),用来使水套正对这些孔。
如图表4-5()表4. 通过塞孔把应变计安装在水套孔表面。
应变计位于冷却剂通道的表面上。
接触量规的表面光洁度很重要。
特别是在水-聚合物淬火之后,回火之前,缸盖在水浴中浸泡清洗,以此来减少表面的残余聚合物,使应变计更轻松的附着在表面上。
()图5.观察三个应变计在汽缸盖水套火力岸上的分布。
结果与讨论测量试验发现,最高的残余应力通常出现在最容易测量到裂纹的水套表面,表明残余应力在它的成核过程中起到关键作用。
通过点火的循环气体压力可知,这些裂纹与高循环疲劳有关。
缸盖的刚度在这些位置提高,通过提高内径和火力岸的厚度-水套的。
后者使冷却系统的传热性能降低,因为它减小了冷却剂的流通截面积。
残余应力的模拟实验证实了裂缝的形成区域确实发生在最大残余应力处,并验证了实验测量,如表6()残余应力在表3显示,相当大的压力积累产生于水淬火过程,原因与水套通道的清洁程度和淬火温度有关。
图7概括了淬火水温和表面清洁度对缸盖残余应力减小或消除的影响。
增加水温可以减小水套火力岸的压力,但是,如果淬火前砂型通道的光洁度不足,压力减小率就会很小。
除了水温,内冷通道的光洁度对压力也起了主要作用。
基于仿真结果,在水中淬火工艺中增加水温或聚合物浓度将被取代,如果不考虑空气淬火所带来的高投入。
()水淬火计算压力根据沙的含量(全是沙,不含沙和部分沙)在表3中进行了总结,表8是一个CAE获得结果得到的一个表格。
沙层的脱离是由于在淬火过程中不光洁表面对热量从汽缸盖金属到水的传播起消极作用。
无效的热量从水套那么小的区域传出使汽缸盖承受更多的压力。
沙对密封柱塞孔周围的影响小于对火力岸的影响。
铸造之后留下的沙在固溶处理工艺温度达到520°C时烧结,沙层就像沙毯一样覆盖在金属表面,阻止热量向冷却剂的传播。
由于传热不好,热金属表面的沙层阻碍温度梯度和应力消除,在这样一个小面积内热量传递很少,加上循环气体压力,使得临界区域非常容易断裂。
()缸盖水淬火,水聚合物淬火和空气淬火中,残余应力测量的临界位置如图9()对每一个头,三套应变计机械装配在不同的气缸但都存在裂纹的相同部位。
当产生残余压力高达80到105 Mpa时(头部#:1, 4, 6, 9 和18),水淬火就是非常危险的了,并且在接下来的第二阶段的开发方案上不再选择。