7050鋁合金長軸筋板類鍛件淬火殘余應(yīng)力消減工藝研究

吳錫偉，吳道祥，許開春

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

工件在沒有外力作用下內(nèi)部存有的保持工件自身平衡的應(yīng)力被稱為殘余應(yīng)力。一般來說，工件內(nèi)部的不均勻塑性變形是導(dǎo)致工件殘余應(yīng)力的重要因素。而物體的不均勻塑性變形又主要來自所受外力或者溫度梯度的變化。在工件的成形、熱處理或者機(jī)加過程中，工件內(nèi)部很容易因?yàn)榫植繀^(qū)域的溫度差異或者變形量的差異而導(dǎo)致物體的不均勻塑性變形，從而產(chǎn)生一定量的殘余應(yīng)力[1]。7050鋁合金構(gòu)件通過固溶和快速淬火來獲得較高的力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性。但是在淬火過程中，由于工件快速冷卻，工件外表面與心部的冷卻速度不一致，存在較大的溫度梯度，使得材料冷卻收縮不均勻，在工件中產(chǎn)生嚴(yán)重的淬火殘余應(yīng)力，這對工件后續(xù)的機(jī)加及裝配非常不利。因此，必須采用機(jī)械拉伸或壓縮等工藝來降低工件淬火后的殘余應(yīng)力。

目前國內(nèi)外研究人員在消除淬火殘余應(yīng)力方面做了大量工作。袁望姣等[2]對 7075 鋁合金厚板淬火、預(yù)拉伸過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬；毛翔[3]等基于有限元模擬軟件研究了預(yù)拉伸工藝對無應(yīng)力7075厚板附加應(yīng)力的影響；辜蕾鋼等[4-5]利用ANSYS模擬軟件研究了預(yù)拉伸工藝在2024厚板內(nèi)產(chǎn)生的不均勻變形和應(yīng)力；趙麗麗等[6]采用數(shù)值模擬軟件模擬研究了冷軋殘余應(yīng)力的拉伸消減方法；柯映林等[7]模擬研究了7075鋁合金厚板的淬火應(yīng)力及預(yù)拉伸后的應(yīng)力分布情況，并通過采用壓縮比實(shí)驗(yàn)對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文基于有限元模擬仿真技術(shù)，預(yù)測7050鋁合金長軸筋板類鍛件在淬火及冷變形過程中的應(yīng)力變化情況，分析其分布及變化規(guī)律，為后續(xù)生產(chǎn)試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。

1 殘余應(yīng)力的定義與分類

物體殘余應(yīng)力的分類與其存在形式相關(guān)，且隨著材料本身理化性能、出現(xiàn)條件的差異而不同?，F(xiàn)今受到國內(nèi)外公認(rèn)的權(quán)威的殘余應(yīng)力分類方法由E.Macherauch（德國人）在19世紀(jì)70年代提出，其按照殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及作用情況分為三類[8]：

第一類：宏觀殘余應(yīng)力（Macroresidual Stress）。工件內(nèi)部的較大區(qū)域或晶粒內(nèi)部都存在著宏觀殘余應(yīng)力，通常為一定常數(shù)且保持相對的平衡。如果此類宏觀殘余應(yīng)力沒有得到一定的制衡或者消減，在后續(xù)的機(jī)加或者受力過程中會因?yàn)閮?nèi)部力系的平衡受到破壞而導(dǎo)致工件變形、翹曲等情況的發(fā)生。物體的宏觀殘余應(yīng)力一般采用物化或者機(jī)械的方法來測試，本文重點(diǎn)研究這類殘余應(yīng)力。

第二類：微觀應(yīng)力（Structuralmicro Stress）。工件微觀應(yīng)力一般出現(xiàn)在一個(gè)或者部分少量的晶粒內(nèi)部，在不同物相材料、復(fù)合材料及夾雜之間保持相對的平衡。當(dāng)材料的微觀殘余應(yīng)力的平衡被破壞時(shí)，也會導(dǎo)致材料形狀尺寸的變化。

第三類：晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力（Substructural Stress）。晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力是在晶粒亞結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)存在的且在一定范圍內(nèi)保持相對平衡的應(yīng)力。一般來說，晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力平衡被打破不會造成工件形狀尺寸的變化。

在大部分情況下，第一類殘余應(yīng)力與第二類殘余應(yīng)力是伴隨著一起存在的，在物體成形或者熱處理的過程中，物體的宏觀殘余應(yīng)力總是隨著微觀應(yīng)力、晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力同時(shí)產(chǎn)生。對鋁合金鍛件而言，對鍛件使用或者后期的機(jī)加造成嚴(yán)重隱患的是第一類殘余應(yīng)力，因此在消除鋁合金鍛件殘余應(yīng)力時(shí)一般重點(diǎn)考慮第一類殘余應(yīng)力。第一類殘余應(yīng)力也不全是有害的，有時(shí)候工件在服役過程中還需要適宜的宏觀殘余應(yīng)力來起著與工作載荷產(chǎn)生的工作應(yīng)力同樣的作用。因此，在設(shè)計(jì)鍛件成形工藝時(shí)也需注意第一類殘余應(yīng)力的影響。另外，當(dāng)對材料的微觀組織或結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究時(shí)，需要注意材料的微觀應(yīng)力或者晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，此時(shí)材料的微觀應(yīng)力或者晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力是評估材料損傷或者位錯的重要指標(biāo)[9]。

2 固溶及淬火過程仿真模擬

利用有限元模擬軟件對鍛件淬火過程進(jìn)行仿真模擬，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 淬火過程溫度變化圖

如圖1所示，入水前，模鍛件溫度大致為470 ℃（如圖（a）所示），此時(shí)，鍛件表層及心部溫度相同。鍛件入水后，由于表層金屬直接與淬火介質(zhì)接觸溫降較快，而心部金屬僅靠材料間的熱傳導(dǎo)，溫降較慢，此時(shí)，表層與心部存在溫度差（如圖1（b）和（c）），這也是鍛件在淬火后產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因。最后，由于淬火時(shí)間的增加，鍛件心部與表層溫度趨近相同，均為65 ℃。表層與心部溫度變化情況如圖1（e）所示，同樣可以看出兩者之間的溫度下降快慢不同。

由于溫度變化的不同，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)了熱應(yīng)力，其分布情況見圖2。

圖2 淬火過程應(yīng)力變化圖

圖2為鍛件在淬火時(shí)的應(yīng)力變化情況?？梢钥闯?，在淬火前，鍛件不管表層還是心部都沒有應(yīng)力。當(dāng)鍛件剛?cè)胨畷r(shí)，金屬表層溫度下降較快，而心部溫度下降較慢，從而導(dǎo)致鍛件內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，此時(shí)主要表現(xiàn)為表拉心壓，這主要是由鍛件內(nèi)外熱收縮程度不同導(dǎo)致的。隨著淬火時(shí)間延長，溫度分布趨于相同，此時(shí)應(yīng)力主要表現(xiàn)為表壓心拉（見圖2（e））。由此可知，鍛件的殘余應(yīng)力主要是由鍛件表面與心部產(chǎn)生的熱脹冷縮不同步造成的，其本質(zhì)是溫度不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

3 冷壓過程仿真模擬

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用冷變形率為3%設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷壓模具，并通過數(shù)值模擬得到鍛件在冷壓過程中的應(yīng)力變化情況。根據(jù)設(shè)計(jì)原則首先設(shè)計(jì)出相應(yīng)的冷壓鍛件，如圖3所示。

圖3 冷壓示意圖

圖4為F427模鍛件在冷壓過程中的殘余應(yīng)力變化。從圖中可以看出在淬火結(jié)束后鍛件呈現(xiàn)出表壓心拉的應(yīng)力情況，其數(shù)值范圍大致為-150 MPa~150 MPa。壓應(yīng)力主要集中在各個(gè)筋條最高處，拉應(yīng)力主要集中于鍛件腹板中心，一般與距鍛件表面距離有關(guān)，距鍛件表面越遠(yuǎn)，殘余拉應(yīng)力越大。淬火鍛件經(jīng)冷壓處理后殘余應(yīng)力大幅下降，最后應(yīng)力范圍大致為-30 MPa~45 MPa。說明3%的冷壓變形率對殘余應(yīng)力的消減具有較好的效果。

圖4 冷壓殘余應(yīng)力消除情況

4 結(jié)論

（1）鍛件的殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因主要為鍛件表面與心部產(chǎn)生的熱脹冷縮不同步，其本質(zhì)是溫度不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

（2） 鍛件淬火結(jié)束后呈現(xiàn)出表壓心拉的應(yīng)力情況，其數(shù)值范圍大致為-150 MPa~150 MPa。其中壓應(yīng)力主要集中在各個(gè)筋條最高處，拉應(yīng)力主要集中于鍛件腹板中心。

（3） 鍛件經(jīng)冷壓工藝后殘余應(yīng)力大幅下降，最后應(yīng)力范圍大致為-30 MPa~45 MPa。說明3%冷壓變形率對殘余應(yīng)力的消減具有較好的效果。