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摘要：可热处理铝合金通过淬火操作获得其高强度，但同时因为淬火操作引入了残余应力。这些内应力会导致应力腐蚀破裂，并引起复杂锻件和机械加工件的变形。因此，研究淬火过程中的传热过程显得非常重要。本文通过测量 7449 铝合金在不同淬火剂中的热传递系数进行了相关研究。通过使用淬火过程中的时间-温度曲线建立了一维有限元模型，来计算热传递系数。使用软件 INTEMP 来解决逆热传导问题。同时对淬火过程中不同表面条件对热传递的影响进行了研究。由于液体与表面之间存在短暂的蒸汽膜，在过渡态沸腾区液体的进入受到了很大的限制。
关键词：7449 铝合金;热传递系数;表面粗糙度
1. 简介
铝由于其高的强度-重量比和高耐腐蚀性成为几乎所有航空航天结构的理想选择。铝合金被广泛应用于需要经受巨大应力并且几乎不允许失效的情况，特别是航空航天工业。7449 铝合金是一种铝镁锌铜锆合金，强度很高。7449 铝合金最适合用于需要极高强度的锻造和机加工零件，尤其是承受压缩力的零件，如机翼上部结构。要制造强化合金件，大部分析出硬化型铝合金依靠从溶液热处理温度（约 470℃）快速 （>100 K/s） 冷却下来，以抑制过大的第二相形成。冷水作为浸入或者喷洒淬火剂可以产生尽可能大的热梯度，从机械特性的角度来看是理想的淬火剂。但是，强烈的热梯度会导致不均匀的塑性变形。据报道，这种情况出现在450℃-300℃ 的温度范围内。在厚的组件如板和大型锻件中，塑性变形会导致表层的压缩应力，以及与之平衡的次表层的拉伸大应力。所以，研究淬火过程是极为重要的，尤其是淬火过程中的热传递系数。
如图 1 所示，可以将淬火过程分为四个不同的区间：
1.1 单相区 — 在这个区间，温差很低，热传递速度缓慢;
1.2 核沸腾区 — 通过蒸汽气泡将热量从金属表面带走，蒸汽气泡在成核点开始形成。这个区间的热传递非常快，其热传递机制比较复杂;
1.3 过渡区 — 在热表面上形成气泡速度很快，以致开始形成一个蒸汽膜，类似毯子。蒸汽的导热系数小于核沸腾区域中的液体，从而导致热通量降低。当蒸汽膜变得不稳定，而无法完成持续的热传递时，过渡区沸腾结束;
1.4膜态沸腾区 — 表面已经变得完全被蒸汽膜所覆盖，热量完全通过蒸汽膜传到。随着温度的升高以及随之而来的热传递速率的增加，辐射热传递起着越来越重要的作用。
图 1 小质量金属淬火沸腾曲线
当无法测量整个温度场时，通过几个点来测量是相对容易的。然后，构建一个非线性有限元模型来估算表面热通量和计算表面的热传递系数。这需要利用一个非线性、一维、逆热传导计算机程序 INTEMP 来完成。
2. 实验
两个 105mmx105mmx15mm 的块被从一个 1250mmx480mmx75mm的7449 锻件切下。在两个块的中心分别钻一个 ?1.5mm 的孔，用来插入 1.5mm 外径的热电偶（‘k’ 型）。对于块A，105mmx105mm的非切割表面未做处理。孔的深度为 14.5mm。只留出 0.5mm 厚作为接收表面。然后，从同一侧钻出一个更大的同心孔 （=? 8.4mm） 以装入封头。随后，敲入封头以将其安装。使用封头可以保证热电偶和钻孔底部之间接触良好，同时也可以防止水在淬火过程中进入孔。对于块B，打磨非切割表面。先用 P250 研磨纸打磨，然后用 P600 研磨纸抛光。用与前面提到的相同方式固定热电偶（图 2）。将两个块分别在炭加热炉中以 472℃ 加热 30 分钟以上，使整个块的温度均匀分布。然后，将两个块分别使用有搅拌以及无搅拌的淬火油、盐、和不同温度的水进行淬火。使用了大量淬火剂以防止在淬火过程中淬火剂温度大幅升高。监测时间-温度变化，并使用 Labview 的数据采集系统以 10Hz 的频率记录监控到的情况。将这些时间-温度变化作为已知条件输入 INTEMP。从这些已知条件估算表面温度，然后利用 INTEMP 计算表面热传递系数。
3. 热传递系数计算
INTEMP 可以求解线性或非线性逆热传导问题。可以使用一维或二维有限元、集总电容-热敏电阻网络或两者的组合构建热模型。将不同节点处的温度-时间变化数据输入，INTEMP 求解任意指定位置的热流量。
3.1 分析公式
INTEMP 使用以下两种非线性热传导模型：
Crank-Nicolson公式
（Ci + Kih/2）Ti+1 =（Ci + Kih/2）Ti + hqi + hPfi
Fully Implici公式
（Ci + Kih）Ti+1 = （Ci）Ti+ hqi + hPfi
其中，T 是一个向量 （nx1），代表节点温度;Ki 是一个包含空间变量的数学表达式的对称 （nxn） 传导矩阵;Ci 是热容矩阵（对角）。qi 是代表已知热通量的一个矢量，fi 是代表未知热通量的一个矢量 （ngx1），P 是一个热通量参数矩阵 （nxng），而 h 为积分步长。矩阵 Ci 和 Ki 可随温度变化而变化。如果这样的话，使用温度 Ti 来给出二者的值。 3.2 模型构建
构建了一个一维模型来计算 7449 铝合金的热通量和热传递系数。因为105mmx105mmx15mm 块的长度和宽度相比其厚度大很多，表面中心的热被认为仅在一个方向上流失：垂直于该表面，并从中心指向该表面。使用 21 个节点来构建该模式。这些节点距离中心 0.375mm 并从中心编号。（图2），点 C 为热电偶的末端位置，从此处获得位置-温度变化。
图 2 模型构建
材料的比热容值 Cρ、导热系数 k 和密度 ρ 随温度函数而变化，并且均可从文献中找到。可使用以下等式计算热传递系数 h：
h=q / （Twall-T∞）
其中，q 为表面热通量，Twall 是表面温度，而 T∞ 是指淬火剂温度。
4. 结果与讨论
图 3 淬入不同淬火剂的块A冷却曲线
图 3 显示淬入不同淬火剂的块A冷却曲线。带搅拌或不带搅拌淬入冷水以及淬入 60℃ 的温水中的曲线看起来很相似，但淬入 60℃ 水中的曲线冷却慢一点。淬入到 80℃ 水中的冷却曲线在高温 （>400°C） 时下降相对缓慢。然后曲线变得很陡，直到样本温度接近淬火剂温度。这可能是在淬火开始时短周期出现的“蒸汽膜”所造成的。对于沸腾淬火，这种现象更明显，时间更长。冷却曲线走势缓慢，直到温度达到 250°C 左右。这个温度已经超过了淬火的关键温度范围。对于油淬和盐浴，曲线一直缓慢下降，开始时的短时间内相对较快。
图 4 带搅拌或不带搅拌淬入冷水的块A热传递系数
从冷却曲线可以看出（图 4），带搅拌或不带搅拌淬入冷水的块A热传递系数显示没有大的差异。这是因为冷却过程相比水流动的速度来说，要快得多。因此，搅拌不会明显影响热传递。
图 5 淬入不同淬火剂中的块A的热传递系数
图 5 显示了在不同淬火剂中获得的热传递系数。对于油淬和盐浴，他们只在开始时给出现了一个峰值。对于在不同温度下淬入水中的样品，随水温增高，热传递系数数值下降。对于冷水淬火，在温差为大约 210K 时获得峰值，大约为 21000 W/m2·K。将块A淬入 60°C 的水中时，在低温差值时，约为 150 K，得到14500 W/m2·K的峰值。当水温上升到 80°C 时，热传递系数值较低。而峰值出现在更低的温差值处。然而，对于沸水淬火，在整个周期的热传递值都相当低，直至出现了一个峰值。总的来说，这是因为将样品淬入沸水中时形成的蒸汽膜造成的。同时，可以看出，所有的峰值均发生在核沸腾阶段。
图 6 淬入不同淬火剂中的块B的热传递系数
图 6 示出了淬入不同温度的水中时获得的块B的热传递系数曲线。所有的曲线均显示了与块A相同的趋势，但有更高的值，冷水除外。块B冷水淬火的热传递系数曲线显示与块A没有大的区别。这主要是因为在沸腾阶段，表面粗糙度对从金属表面传递热量方面有重要影响。核沸腾阶段沸腾区对表面状况的敏感是由于液体直接接触表面。由于液体与表面之间存在短期的蒸汽膜，在过渡态沸腾区液体与金属表面的接触受到很大限制。导致了小于蒸汽膜厚度的任何表面粗糙度将无法有效促进成核。对于冷水淬火，由于金属块的质量小，块冷却的速度很快，可能没有足够的时间形成一个足够厚的蒸汽膜来影响冷却速度。这可能就是两个块的冷水淬火的热传递系数为什么看起来相似的原因。然而，当表面粗糙度的影响不能忽略时，这种蒸汽膜在膜态沸腾过程中是持续存在的。这在图 7 中有所展示。
图 7 示意淬火过程中表面材质对蒸汽阶段和核沸腾阶段的影响：① 两个表面的蒸汽相阶段 ② 光滑表面的成核沸腾阶段以及粗糙表面的成核沸腾和蒸汽相阶段，以及 ③ 两个表面的成核沸腾。
5. 结论
5.1 利用 INTEMP 计算的热通量表明，在所有淬火剂中两种表面的峰值热通量均出现在核沸腾阶段。
5.2 当以不同温度淬入水（冷水除外）中时抛光表面给出更高的热传递系数值。
5.3 热传递系数数据表明，淬火期间不应忽略样品表面状态的影响。
关键词：7449 铝合金;热传递系数;表面粗糙度
1. 简介
铝由于其高的强度-重量比和高耐腐蚀性成为几乎所有航空航天结构的理想选择。铝合金被广泛应用于需要经受巨大应力并且几乎不允许失效的情况，特别是航空航天工业。7449 铝合金是一种铝镁锌铜锆合金，强度很高。7449 铝合金最适合用于需要极高强度的锻造和机加工零件，尤其是承受压缩力的零件，如机翼上部结构。要制造强化合金件，大部分析出硬化型铝合金依靠从溶液热处理温度（约 470℃）快速 （>100 K/s） 冷却下来，以抑制过大的第二相形成。冷水作为浸入或者喷洒淬火剂可以产生尽可能大的热梯度，从机械特性的角度来看是理想的淬火剂。但是，强烈的热梯度会导致不均匀的塑性变形。据报道，这种情况出现在450℃-300℃ 的温度范围内。在厚的组件如板和大型锻件中，塑性变形会导致表层的压缩应力，以及与之平衡的次表层的拉伸大应力。所以，研究淬火过程是极为重要的，尤其是淬火过程中的热传递系数。
如图 1 所示，可以将淬火过程分为四个不同的区间：
1.1 单相区 — 在这个区间，温差很低，热传递速度缓慢;
1.2 核沸腾区 — 通过蒸汽气泡将热量从金属表面带走，蒸汽气泡在成核点开始形成。这个区间的热传递非常快，其热传递机制比较复杂;
1.3 过渡区 — 在热表面上形成气泡速度很快，以致开始形成一个蒸汽膜，类似毯子。蒸汽的导热系数小于核沸腾区域中的液体，从而导致热通量降低。当蒸汽膜变得不稳定，而无法完成持续的热传递时，过渡区沸腾结束;
1.4膜态沸腾区 — 表面已经变得完全被蒸汽膜所覆盖，热量完全通过蒸汽膜传到。随着温度的升高以及随之而来的热传递速率的增加，辐射热传递起着越来越重要的作用。
图 1 小质量金属淬火沸腾曲线
当无法测量整个温度场时，通过几个点来测量是相对容易的。然后，构建一个非线性有限元模型来估算表面热通量和计算表面的热传递系数。这需要利用一个非线性、一维、逆热传导计算机程序 INTEMP 来完成。
2. 实验
两个 105mmx105mmx15mm 的块被从一个 1250mmx480mmx75mm的7449 锻件切下。在两个块的中心分别钻一个 ?1.5mm 的孔，用来插入 1.5mm 外径的热电偶（‘k’ 型）。对于块A，105mmx105mm的非切割表面未做处理。孔的深度为 14.5mm。只留出 0.5mm 厚作为接收表面。然后，从同一侧钻出一个更大的同心孔 （=? 8.4mm） 以装入封头。随后，敲入封头以将其安装。使用封头可以保证热电偶和钻孔底部之间接触良好，同时也可以防止水在淬火过程中进入孔。对于块B，打磨非切割表面。先用 P250 研磨纸打磨，然后用 P600 研磨纸抛光。用与前面提到的相同方式固定热电偶（图 2）。将两个块分别在炭加热炉中以 472℃ 加热 30 分钟以上，使整个块的温度均匀分布。然后，将两个块分别使用有搅拌以及无搅拌的淬火油、盐、和不同温度的水进行淬火。使用了大量淬火剂以防止在淬火过程中淬火剂温度大幅升高。监测时间-温度变化，并使用 Labview 的数据采集系统以 10Hz 的频率记录监控到的情况。将这些时间-温度变化作为已知条件输入 INTEMP。从这些已知条件估算表面温度，然后利用 INTEMP 计算表面热传递系数。
3. 热传递系数计算
INTEMP 可以求解线性或非线性逆热传导问题。可以使用一维或二维有限元、集总电容-热敏电阻网络或两者的组合构建热模型。将不同节点处的温度-时间变化数据输入，INTEMP 求解任意指定位置的热流量。
3.1 分析公式
INTEMP 使用以下两种非线性热传导模型：
Crank-Nicolson公式
（Ci + Kih/2）Ti+1 =（Ci + Kih/2）Ti + hqi + hPfi
Fully Implici公式
（Ci + Kih）Ti+1 = （Ci）Ti+ hqi + hPfi
其中，T 是一个向量 （nx1），代表节点温度;Ki 是一个包含空间变量的数学表达式的对称 （nxn） 传导矩阵;Ci 是热容矩阵（对角）。qi 是代表已知热通量的一个矢量，fi 是代表未知热通量的一个矢量 （ngx1），P 是一个热通量参数矩阵 （nxng），而 h 为积分步长。矩阵 Ci 和 Ki 可随温度变化而变化。如果这样的话，使用温度 Ti 来给出二者的值。 3.2 模型构建
构建了一个一维模型来计算 7449 铝合金的热通量和热传递系数。因为105mmx105mmx15mm 块的长度和宽度相比其厚度大很多，表面中心的热被认为仅在一个方向上流失：垂直于该表面，并从中心指向该表面。使用 21 个节点来构建该模式。这些节点距离中心 0.375mm 并从中心编号。（图2），点 C 为热电偶的末端位置，从此处获得位置-温度变化。
图 2 模型构建
材料的比热容值 Cρ、导热系数 k 和密度 ρ 随温度函数而变化，并且均可从文献中找到。可使用以下等式计算热传递系数 h：
h=q / （Twall-T∞）
其中，q 为表面热通量，Twall 是表面温度，而 T∞ 是指淬火剂温度。
4. 结果与讨论
图 3 淬入不同淬火剂的块A冷却曲线
图 3 显示淬入不同淬火剂的块A冷却曲线。带搅拌或不带搅拌淬入冷水以及淬入 60℃ 的温水中的曲线看起来很相似，但淬入 60℃ 水中的曲线冷却慢一点。淬入到 80℃ 水中的冷却曲线在高温 （>400°C） 时下降相对缓慢。然后曲线变得很陡，直到样本温度接近淬火剂温度。这可能是在淬火开始时短周期出现的“蒸汽膜”所造成的。对于沸腾淬火，这种现象更明显，时间更长。冷却曲线走势缓慢，直到温度达到 250°C 左右。这个温度已经超过了淬火的关键温度范围。对于油淬和盐浴，曲线一直缓慢下降，开始时的短时间内相对较快。
图 4 带搅拌或不带搅拌淬入冷水的块A热传递系数
从冷却曲线可以看出（图 4），带搅拌或不带搅拌淬入冷水的块A热传递系数显示没有大的差异。这是因为冷却过程相比水流动的速度来说，要快得多。因此，搅拌不会明显影响热传递。
图 5 淬入不同淬火剂中的块A的热传递系数
图 5 显示了在不同淬火剂中获得的热传递系数。对于油淬和盐浴，他们只在开始时给出现了一个峰值。对于在不同温度下淬入水中的样品，随水温增高，热传递系数数值下降。对于冷水淬火，在温差为大约 210K 时获得峰值，大约为 21000 W/m2·K。将块A淬入 60°C 的水中时，在低温差值时，约为 150 K，得到14500 W/m2·K的峰值。当水温上升到 80°C 时，热传递系数值较低。而峰值出现在更低的温差值处。然而，对于沸水淬火，在整个周期的热传递值都相当低，直至出现了一个峰值。总的来说，这是因为将样品淬入沸水中时形成的蒸汽膜造成的。同时，可以看出，所有的峰值均发生在核沸腾阶段。
图 6 淬入不同淬火剂中的块B的热传递系数
图 6 示出了淬入不同温度的水中时获得的块B的热传递系数曲线。所有的曲线均显示了与块A相同的趋势，但有更高的值，冷水除外。块B冷水淬火的热传递系数曲线显示与块A没有大的区别。这主要是因为在沸腾阶段，表面粗糙度对从金属表面传递热量方面有重要影响。核沸腾阶段沸腾区对表面状况的敏感是由于液体直接接触表面。由于液体与表面之间存在短期的蒸汽膜，在过渡态沸腾区液体与金属表面的接触受到很大限制。导致了小于蒸汽膜厚度的任何表面粗糙度将无法有效促进成核。对于冷水淬火，由于金属块的质量小，块冷却的速度很快，可能没有足够的时间形成一个足够厚的蒸汽膜来影响冷却速度。这可能就是两个块的冷水淬火的热传递系数为什么看起来相似的原因。然而，当表面粗糙度的影响不能忽略时，这种蒸汽膜在膜态沸腾过程中是持续存在的。这在图 7 中有所展示。
图 7 示意淬火过程中表面材质对蒸汽阶段和核沸腾阶段的影响：① 两个表面的蒸汽相阶段 ② 光滑表面的成核沸腾阶段以及粗糙表面的成核沸腾和蒸汽相阶段，以及 ③ 两个表面的成核沸腾。
5. 结论
5.1 利用 INTEMP 计算的热通量表明，在所有淬火剂中两种表面的峰值热通量均出现在核沸腾阶段。
5.2 当以不同温度淬入水（冷水除外）中时抛光表面给出更高的热传递系数值。
5.3 热传递系数数据表明，淬火期间不应忽略样品表面状态的影响。