基于正交試驗法的7055T7751鋁合金時效蠕變性能研究

史建猛，李賓良，張海寶

（中航西安飛機工業集團股份有限公司， 西安 710089）

時效成形是利用材料蠕變與應力松弛特性，使待成形零件的彈性預應變在一定的溫度下，經過一定的時間部分轉化為塑性應變，從而實現零件成形的一種工藝方法，具有零件殘余應力小、工藝可重復性好、能夠提高可時效鋁合金的抗疲勞性能等優點[1]。已有的研究往往忽略了升溫速率波動對成形件塑性應變量的影響，而在生產過程中利用熱壓罐加熱大型模具和飛機整體壁板時，升溫速率波動是不可避免的[2]。對于解決大尺寸、變厚度、內部結構復雜的大型機翼整體壁板成形制造問題，時效成形技術是一個重要的研究方向。由于時效成形機理尚不明確、壁板零件形狀復雜、成形工藝參數多以及成形過程的非線性，使得時效應力松弛成形工藝參數難以準確確定、時效應力松弛成形過程難以描述，所以需要進行大量的基礎試驗，才能找出時效應力松弛成形的優化成形條件[3]。

7055鋁合金是在7050和7150的基礎上進一步提高Zn的含量發展起來的，其鍛件、厚板和擠壓件主要用于抗壓結構[4]。本文選取飛機壁板廣泛采用的7055T7751鋁合金，以預應力、時效溫度和時效時間對7055T7751鋁合金時效蠕變的力學性能的影響作為研究對象，設計單向拉伸時效蠕變的正交試驗，通過統計方法處理試驗數據進而分析上述工藝參數對7055T7751鋁合金力學性能的影響規律。

1 正交試驗方案設計

1.1 試驗材料

本文以7055T7751鋁合金為研究對象，對其進行單向拉伸時效蠕變試驗，試件按GB/T2039—1997[5]規定設計，形狀和尺寸如圖1所示。時效后的拉斷試件按圖2進行銑削加工（單位mm），試件厚度介于2.0～2.3mm之間。

1.2 試驗流程

1.2.1 蠕變試驗

試驗前首先檢測并啟動計算機和保溫爐。然后按以下步驟控制蠕變過程：

（1）準備——首先對7055T7751鋁合金試件（圖1）進行打磨，并測量截面的面積；

圖1 單向拉伸試件平面圖Fig.1 Drawing of specimen for uniaxial stretch

（2）安裝——將試件裝夾好，完成試驗參數的設置；

（3）加熱——升高爐內溫度，升溫速率3℃/min，使得爐內溫度穩定在目標溫度范圍內，（根據蠕變或應力松弛試驗標準，溫度偏差在±3℃以內）；

（4）加載——采用應力控制進行加載，通過試驗機橫梁移動將試件應力由0加載到目標應力值；

（5）保溫——試驗過程中保持應力不變，記錄應變隨時間的變化過程；

（6）降溫——在蠕變結束后對試件進行降溫處理，降溫速率3℃/min，使得溫度由給定的時效溫度降為室溫，同時保持應力不變；

（7）卸載——保溫爐溫度降為室溫后，通過力控制對試件進行卸載，存儲試驗數據；

（8）數據處理——處理試驗數據并進行初步分析。

1.2.2 拉斷試驗

將經時效蠕變后的試件按圖2所示的尺寸進行銑削加工，然后在電子萬能拉伸機上進行拉斷試驗，記錄材料的彈性模量和屈服強度等力學性能指標。

圖2 拉斷試件平面圖Fig.2 Drawing of stretched specimen

1.2 正交試驗設計

本試驗主要研究預應力、時效溫度和時效時間對材料力學性能的影響規律，試驗因素為預應力、時效溫度和時效時間，主要衡量指標有屈服強度和彈性模量。該試驗屬于多因素和因素多水平問題，如果對每個因素不同水平的相互搭配進行全面試驗的話，工作量將會很龐大，故可采用正交試驗方法設計試驗，并應用統計方法分析試驗結果，可通過少量的試驗獲得較多的信息以得到上述3個工藝參數對材料彈性模量和屈服強度的影響規律，正交試驗法的相關知識請參閱文獻[6]。

為節省試驗成本，對每個因素取3個水平察看3個因素對衡量指標的影響規律，見表1。不考慮因素間的交互作用，選取L9（34）正交表，試驗方案見表2。

表2 單向拉伸時效蠕變試驗方案Table 2 Experimental design of uniaxial stretch creep age test

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

根據表1、2的方案進行7055T7751鋁合金薄板件的單向拉伸時效蠕變試驗，其中第9組試件在蠕變時效過程中發生失效破壞，其蠕變應變曲線如圖3所示，說明材料在170℃、預應力為280MPa的條件下進行蠕變時，經過第Ⅱ階段的穩定蠕變期后快速進入失效破壞階段，導致變形突然增大，最終斷裂破壞，破壞后的試件如圖4所示。

圖3 時效蠕變試驗S9試件蠕變曲線Fig.3 Creeping curve of S9 sample from creep aging test

圖4 試驗組S9試件Fig.4 Experimental group S9 sample

表1 單向拉伸時效蠕變試驗參數Table 1 Experimental parameters in creep age test by uniaxial stretch

試驗得到材料的彈性模量和屈服強度見表3，同等條件下未經蠕變試驗的7055T7751鋁合金的參數為彈性模量70.4GPa，屈服強度614MPa。

從表3中可以初步看出，時效蠕變前后，材料彈性模量變化很小，所以本節以屈服強度作為材料力學性能的評價指標，對數據進行統計分析。

表3 試驗結果記錄Table 3 Experimental results

2.2 正交多項式回歸分析

便于計算分析，把表3的屈服強度減去500MPa，然后填入正交表2右側，分別計算各列1、2、3水平的數據之和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，數據總和T及總平均值μ，填入正交表，見表4（S9試件在蠕變過程中失效破壞，為了保證數據的完整性，以450MPa代替該試驗條件下的屈服強度）。

正交表的均衡搭配性質保證了對某一因子的效應及變動計算完全可以像單因子一樣進行。對于因子A（預應力），設效應函數（描述一個因子取某一水平時，使得指標相對總平均的偏差量）具有正交多項式的形式，即：

由于只有3個水平，至多可以展至二次正交多項式。根據文獻[5]計算得因子A（預應力）、因子B（時效溫度）和因子C（時效時間）對應的正交多項式及其變動分別為：

由正交表4的第4列計算出誤差的變動和自由度為：

表4 試驗結果及數據處理Table 4 Experimental results and data processing

則誤差的平均變動為：

比較所有因子的效應函數各系數的變動與S4/f4的大小，發現，則應將其并入誤差變動，最后得誤差的變動和自由度為：

正交試驗表中通常用 值與臨界值比較判斷來檢驗各因素影響的顯著性，因子F值表達式為：

根據式（2）計算得到各因子效應函數的系數顯著性見表5。

表5 正交多項式系數的顯著性Table 5 Significance of orthogonal polynomial coefficients

綜上，可得到3個影響因子A、B、C的效應函數分別是：

則當因子A、B、C任意取一個水平時，可用下式估計材料的屈服強度。

其誤差為：

為了更直觀、定量地分析上述3個因素對屈服強度的影響，繪出了不同時效時間下屈服強度與時效溫度的關系曲線，如圖5所示。可以得出以下結論：

（1） 通過正交多項式回歸分析估計的屈服強度與試驗值相差很小。如時效時間為8h（圖5（a）），預應力為120MPa，時效溫度為120℃時，試驗值為595MPa，通過正交多項式預估為596.33MPa；時效時間為16h（圖5（c）），預應力為200MPa，時效溫度為145℃時，試驗值為550MPa，通過正交多項式預估為551.33MPa。

圖5 屈服強度與時效溫度的關系Fig.5 Relationship between yield strength and aging temperature

（2） 在同一時效時間下，材料的屈服強度隨時效溫度的升高顯著下降。時效溫度由120℃升高到170℃，材料的屈服強度由600MPa降為450MPa左右；

（3） 在同一時效時間下，預應力對材料的屈服強度影響較小。當預應力從120MPa增大到200MPa時，材料的屈服強度增大20MPa左右，預應力增大到280MPa時，屈服強度變化不大。

3 結論

（1）7055T7751鋁合金在時效蠕變前后，彈性模量變化不大。

（2）時效溫度對7055T7751鋁合金屈服強度的影響最為顯著，隨著時效溫度的升高，材料的屈服強度顯著下降。

（3）預應力和時效時間對7055T7751鋁合金屈服強度的影響較小，隨著時效時間的延長，材料的屈服強度逐漸降低，而初始應力對屈服強度的影響很小。