7050鋁合金中厚板拉伸對殘余應力消減工藝研究

何康樂，韓正堯

（山東南山鋁業股份有限公司，山東 煙臺 265700）

90年代中期開始航空航天中越來越多工件使用80mm以上厚度的板材進行單體式結構件的加工，從那時起已經對殘余應力著手開始研究，隨著技術的增加對機加工后工件不變形越發看重。國內外公司對80mm后以上的板材機加工量要求幾乎達到95%~98%被加工到，所以對殘余應力消除方面的要求極高，每年投入極大的成本進行殘余應力方面的改善項目，造成成本過高機加工費用。

本文采用Gleeble-3500拉伸機對7075合金厚板在應變速率為4mm/s條件下對7050合金厚板進行拉伸實驗。分析機加工變形式樣撓度曲線得到，拉伸停留時間越小留存的殘余應力越小，拉伸停留時間越長殘余應力越大，板材拉伸率在1.5%~2.5%之間時，拉伸率越大留存的殘余應力越少，殘余應力越消除的越好。

上述研究工作對找尋殘余應力與淬火后拉伸停留時間和拉伸率之間的關系，為解決7050合金板材在機加工時變形的情況作為基礎。

1 實驗方案

本次實驗的實驗過程為固溶淬火、拉伸、取樣、機加工變形測試，選取7050合金典型厚度63.5mm、76.2mm 101.6mm、127mm板材進行實驗。本次實驗設定屈服強度為220MPa、設定拉伸速率為4mm/s。

典型7050合金實驗料化學成分如下表1所示。

表1 7050合金典型化學成分

實驗方案1：以表2中規定的拉伸停留時間進行拉伸，檢測最終機加工變形情況探索不同證拉伸停留時間對殘余應力的影響。

表2 7050合金要求拉伸停留時間

實驗方案2：以表3中規定的拉伸率進行拉伸，檢測最終機加工變形情況探索不同拉伸率對殘余應力的影響。

表3 7050合金要求拉伸率

2 試驗結果及分析

實驗方案1結果：厚度為76.2mm板材在不同拉伸停留時間下的殘余應力變化情況如下圖1、圖2所示。

圖1 不同測量序號下的單次擾度變化情況

圖2 不同測量序號下的總擾度變化情況

厚度為101.6mm板材在不同拉伸停留時間下的殘余應力變化情況如下圖3、圖4所示。

圖3 不同測量序號下的單次擾度變化情況

圖4 不同測量序號下的總擾度變化情況

厚度為127mm板材在不同拉伸停留時間下的殘余應力變化情況如下圖5、圖6所示。

圖5 不同測量序號下的單次擾度變化情況

圖6 不同測量序號下的總擾度變化情況

通過數據對比可以看出板材拉伸率固定的情況下，拉伸停留時間越少留存的殘余應力越少，殘余應力越消除的越好。拉伸停留時間越長，相當于經歷了越長一段時間的自然時效，板材的性能將有一定的提升，造成拉伸的均勻性變差以及需要的拉伸力增加，反而不好消除殘余應力。板材未拉伸之前在殘余應力的作用下表層受壓應力、心部受拉應力；而在拉伸機拉伸時板材表層受拉應力、心部受拉應力，所以控制好拉伸率可造成表層拉伸力達到平衡消除表層殘余應力，而心部仍保留一部分拉應力，不能完全消除殘余應力，只能適當控制殘余應力。拉伸控制好可以在厚度方向很好的控制殘余應力。

實驗方案2結果：厚度為127mm板材在不同拉伸率下的殘余應力變化情況如下圖7、圖8所示。

圖7 不同測量序號下的單次擾度變化情況

圖8 不同測量序號下的總擾度變化情況

通過數據對比可以看出板材在拉伸停留時間固定的情況下，拉伸率在1.5%~2.5%之間時，拉伸率越大留存的殘余應力越少，殘余應力越消除的越好，但具體相差不太大。

實驗方案2和3結合試驗結果：厚度為63.5mm板材在不同拉伸停留時間以及不同拉伸率下殘余應力變化情況如下圖9、圖10所示。

圖9 不同測量序號下的單次擾度變化情況

圖10 不同測量序號下的總擾度變化情況

通過方案二、三試驗結果數據對比可以看出，板材拉伸率固定的情況下，拉伸停留時間越少留存的殘余應力越少，殘余應力越消除的越好。在拉伸停留時間固定的情況下，板材拉伸率在1.5%-2.5%之間時，拉伸率越大留存的殘余應力越少，殘余應力越消除的越好。通過方案二、三試驗相結合進行實驗后結果數據對比可以看出，拉伸停留時間對殘余應力的影響比拉伸率的影響更大。

3 淬火以及拉伸對殘余應力的影響規律

板材的殘余應力也可以表示為板的最小應力和最大應力之間的差值。

拉伸對超硬鋁合金（7系鋁合金）板的殘余應力分布是淬火、拉伸停留時間、拉伸率、拉伸均勻性綜合導致的結果。板材殘余應力的分布是由厚度方向的強度的差異直接導致的。

板材厚度方向強度差異是由淬火中板材急速冷卻時表面和心部的冷卻速率差異；淬火后自然時效時間對板材表面和心部造成的差異，由于淬火情況、織構、晶粒組織和成分的不同導致淬火后表面和中心的自然時效速度也不同；拉伸時均勻性的差異所造成的。拉伸后板材L和LT方向殘余應力分布差異主要是由拉伸過程中的塑性各向異性造成的結果。淬火后預拉伸應力明顯分布為表面壓應力和心部拉應力，在這兩個力共同作用下造成最終成品板材殘余應力分布差異。淬火工藝優化(包括淬火過程中的板溫數據)需要致力于盡可能的平衡表面溫度和中心溫度；拉伸工藝優化需要致力于盡可能的平衡板材的拉伸均勻性、拉伸停留時間的縮短、拉伸時L方向應力和板材原始殘余應力的平衡。

4 結語

目前中國航空工業正在迅速發展，如果殘余應力消除不當，殘余應力過高，將造成內部殘余應力分布不影響客戶機加工過程。例如在加工過程中出現彈刀現象、或者發生加工以后靜放時的自動變形，影響工件的精度。國內外公司對殘余應力消除方面的要求極高，每年投入極高的價錢進行殘余應力方面的改善項目，以取得良好的效果。已分析出殘余應力與鑄造、均質、軋制、熱處理等方面的關系。極大程度的改善公司的工藝過程。本文對7050合金的淬火以及拉伸對殘余應力的消除作了闡述，并相對做了一定優化方面的推薦，以期對致力于消除殘余應力的企業有所幫助。