淬火水溫對7050鋁合金殘余應力及力學性能的影響

李 晨，張新全，謝林軍，袁武華

(1.中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089；2.湖南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

7050鋁合金是航空航天領域大型構件制造中廣泛使用的一種超高強韌輕質結構材料，通常采用固溶時效熱處理來提高力學性能[1-4]。但是，固溶淬火過程中，快速冷卻導致溫度不均勻分布，在材料內部形成較大的淬火殘余應力。殘余應力不僅影響合金結構件的使用性能，也使零件機加工過程中出現尺寸不穩(wěn)定等現象[5-6]。在保證結構件力學性能的前提下，一般采用控制水溫的方式來降低制品的殘余應力,避免淬火開裂。對大型復雜結構件來說，少量的冷壓塑性變形可以使構件內部殘余應力重新分布，是消減淬火殘余應力的一種有效途徑[7-9]。然而，不同水溫淬火試樣冷壓后，殘余應力呈現不同的變化規(guī)律。本試驗在分析淬火水溫對殘余應力影響基礎上，分析高、低水溫淬火試樣在冷壓過程中的殘余應力及力學性能變化規(guī)律，為高強鋁合金結構件殘余應力控制提供借鑒。

1 試驗材料與方法

本試驗所用7050鋁合金試樣從萬航模鍛有限責任公司提供的鍛坯上切取，試樣尺寸為165 mm×65 mm×50 mm(L×LT×ST)，化學成分如表1中所示。試樣經477 ℃7 h固溶處理后迅速淬火冷卻，淬火轉移時間不大于10 s，淬火冷卻水溫分別為20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃，分別測試試樣冷卻過程中的溫度變化及冷卻后的殘余應力。再分別選取20 ℃、60 ℃水溫淬火試樣進行1%～4%不同變形量冷壓，冷壓模型示如圖1所示。對合金不同狀態(tài)的殘余應力和時效后的力學性能進行測試。殘余應力測試使用Proto iXRD X射線殘余應力衍射儀。表面殘余應力測試部位如圖2所示。時效工藝為121 ℃6 h+177 ℃7 h。拉伸試樣按照國標GB/T 228.1-2010，在Landmark型50 kN電液伺服疲勞試驗機上進行，拉伸速率為1.5 mm/min。

表1 7050鋁合金鍛件的化學成分(質量分數/%)

圖1 冷壓模型示意圖

圖2 殘余應力測試位置示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 淬火水溫對試樣表面殘余應力的影響

試樣表面測試點沿x、y方向的殘余應力σx與σy測試結果如圖3所示。試樣在20 ℃～80 ℃淬火后的表面x、y方向的殘余應力均為壓應力，整體而言，表面殘余應力隨淬火水溫升高而降低，在40 ℃～60 ℃淬火水溫區(qū)間，殘余應力變化不明顯。在試樣長度x方向，沿表面中心線由中心到邊緣區(qū)域σx呈現先增加而后減小的趨勢；在試樣寬度y方向上，沿著表面中心線由中心到邊緣區(qū)域σy呈現先減小而后增加的趨勢。20℃水溫淬火試樣表面除邊緣外，其余各點x方向殘余應力σx均在220 MPa左右，而y方向的殘余應力σy均在220 MPa～300 MPa之間。40 ℃、60 ℃水溫淬火試樣表面殘余應力的大小和分布比較接近，σx均在130 MPa(除邊緣外)，與20 ℃淬火試樣相比降低約40%；σy約為220 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約25%。80 ℃水溫淬火后試樣表面殘余應力顯著降低，σx約為25 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約85%；σy約為70 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約70%。

圖3 試樣沿長度方向表面中心線殘余應力測試曲線

為分析水溫對試樣淬火殘余應力的影響，對不同水溫淬火時試樣芯部的溫度進行測試，結果如圖4所示。由圖4可知，試樣在淬火入水10 s內，溫度降低較快，15 s以后，溫度趨于平穩(wěn)。20 ℃水溫淬火的溫度降低較快，40 ℃和60 ℃水溫淬火時溫度降幅相當，而80 ℃水溫淬火時的溫度降低較慢。根據圖4的淬火過程冷卻曲線，使用反傳熱法計算得到的試樣與水的對流換熱系數如圖5a所示。對圖4冷卻曲線求導得到的冷卻速度曲線如圖5b所示。由圖5a可見，隨著淬火水溫的升高，對流換熱系數降低，且換熱系數峰值對應的溫度下降。從圖5b可以看出，20 ℃水溫淬火對應的冷卻速度大于其余三個溫度的，40 ℃和60 ℃水溫淬火的冷卻速度相當，80 ℃水溫淬火的冷卻速度則明顯降低。從不同水溫淬火過程中的冷卻速度可以看出，隨著淬火水溫的降低，冷卻速度增大，殘余應力增加，但水溫40 ℃～60 ℃時，水溫變化對冷卻速度影響不明顯。

圖4 試樣淬火冷卻曲線

圖5 淬火過程對流換熱系數和冷卻速度

7050鋁合金淬火臨界溫度區(qū)間為195 ℃～395 ℃，在該溫度區(qū)間，冷卻速度低，難以獲得理想的固溶效果[10]。從淬火冷卻速度來看，淬火水溫應控制在60 ℃以下。

2.2 淬火水溫對冷壓殘余應力的影響

20 ℃淬火后，不同冷壓變形量的試樣在時效后表面中心點殘余應力值如表2所示。固溶淬火態(tài)試樣表面中心點長度方向的殘余應力σx和寬度方向殘余應力σy，經過1%～4%的冷壓變形后，分別降低30%～58%和46%～67%。時效處理后，試樣殘余應力進一步減小，與淬火態(tài)相比，σx降低46%～73%，σy降低50%～85%。從冷壓變形試樣時效后的殘余應力結果可以看出，冷壓變形量3%時，兩個方向的殘余應力消減效果均較好。

60 ℃水溫淬火后，不同冷壓變形量試樣在時效后表面中心點殘余應力如表3所示。固溶淬火后，試樣表面殘余應力為壓應力，試樣經1%～4%的冷壓變形處理后，σx仍為壓應力，與淬火態(tài)相比殘余應力并沒有得到消減，反而出現增大現象；σy也為壓應力，除變形量為3%試樣外，冷壓后σy也出現了殘余應力增大現象。試樣時效處理后，殘余應力較冷壓態(tài)均呈現減小趨勢；與淬火態(tài)相比，σx均出現了增大現象(消減率為負)。在冷變形量為3%時，σx增加最少，σy的消減效果最好。

從表2和表3所示的水溫20 ℃和60 ℃淬火試樣冷壓、時效過程中殘余應力變化情況可以看出，在常溫20 ℃水溫淬火試樣，淬火態(tài)殘余應力較大，經過冷壓后，殘余應力消減效果較好。而經過60 ℃水溫淬火后，試樣殘余應力較低，但經過冷壓變形后，大部分試樣殘余應力消減效果不明顯，甚至出現殘余應力增大現象。雖然兩種水溫淬火試樣在冷壓3%、時效后的殘余應力均較低，但低水溫淬火試樣冷壓、時效后，殘余應力消減效果更為穩(wěn)定。

表2 20 ℃水溫淬火試樣冷壓、時效后殘余應力變化

表3 60 ℃水溫淬火試樣冷壓、時效后殘余應力變化

在20 ℃、60 ℃兩水溫淬火后，冷壓變形對試樣殘余應力的影響規(guī)律不同，這主要受冷壓消減殘余應力機制的影響。冷壓過程中，殘余應力的消減程度受材料屈服強度、接觸面摩擦因數等影響較顯著。20 ℃、60 ℃水溫淬火后，7050鋁合金的壓縮屈服強度分別為208 MPa、251 MPa，且隨著淬火水溫的升高，室溫停放達到屈服強度最大值的時間更短。而材料屈服強度越高，冷壓過程中殘余應力消減幅度越小，冷壓塑性變形所需壓力越大[11]。在60 ℃較高水溫淬火時，試樣殘余應力較低，而屈服強度高，冷壓過程中的塑性變形不均勻，造成殘余應力重新分布，反而導致殘余應力增大。

2.3 淬火水溫及冷變形對試樣力學性能的影響

表4為20 ℃和60 ℃水溫淬火試樣經冷壓、121 ℃6 h+177 ℃7 h雙級時效后的力學性能。

表4 淬火水溫及冷變形對試樣力學性能的影響

從表4可以看出，冷變形量為1%～4%時，冷壓變形試樣時效后的抗拉強度、屈服強度均低于直接時效試樣的，且隨著變形量的增加，試樣時效后的屈服強度和抗拉強度均呈現先減小后增大的趨勢。隨冷壓變形量的增加，20 ℃水溫淬火試樣的抗拉強度和屈服強度波動相對較小，分別為18 MPa和16 MPa；而60 ℃水溫淬火試樣的抗拉強度和屈服強度波動相對較大，分別為26 MPa和28 MPa。另外，從表2和表4可以看出，20 ℃水溫淬火試樣經2%～3%冷壓變形后的殘余應力消減效果較好，但屈服強度降低約8%。

3 結 論

1)試樣20 ℃～80 ℃水冷淬火后，表面應力均為壓應力，隨著淬火水溫的升高，表面殘余應力降低。

2)較低水溫淬火后，7050鋁合金淬火殘余應力大，但屈服強度低，2%～3%冷壓變形量對殘余應力消減效果較好；淬火水溫較高時，淬火殘余應力較小，但屈服強度較高，冷壓變形消減殘余應力的效果較差，甚至出現殘余應力增大的現象。

3)淬火后1%～4%的冷壓條件下，隨著變形量的增加，合金在時效后的屈服強度和抗拉強度呈先減小后增大的趨勢。