7050鋁合金長軸筋板類鍛件淬火殘余應力消減工藝研究

吳錫偉，吳道祥，許開春

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

工件在沒有外力作用下內部存有的保持工件自身平衡的應力被稱為殘余應力。一般來說，工件內部的不均勻塑性變形是導致工件殘余應力的重要因素。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、熱處理或者機加過程中，工件內部很容易因為局部區域的溫度差異或者變形量的差異而導致物體的不均勻塑性變形，從而產生一定量的殘余應力[1]。7050鋁合金構件通過固溶和快速淬火來獲得較高的力學強度和斷裂韌性。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，在工件中產生嚴重的淬火殘余應力，這對工件后續的機加及裝配非常不利。因此，必須采用機械拉伸或壓縮等工藝來降低工件淬火后的殘余應力。

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

本文基于有限元模擬仿真技術，預測7050鋁合金長軸筋板類鍛件在淬火及冷變形過程中的應力變化情況，分析其分布及變化規律，為后續生產試驗提供理論指導。

1 殘余應力的定義與分類

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

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

第二類：微觀應力（Structuralmicro Stress）。工件微觀應力一般出現在一個或者部分少量的晶粒內部，在不同物相材料、復合材料及夾雜之間保持相對的平衡。當材料的微觀殘余應力的平衡被破壞時，也會導致材料形狀尺寸的變化。

第三類：晶內亞結構應力（Substructural Stress）。晶內亞結構應力是在晶粒亞結構區域內存在的且在一定范圍內保持相對平衡的應力。一般來說，晶內亞結構應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，第一類殘余應力與第二類殘余應力是伴隨著一起存在的，在物體成形或者熱處理的過程中，物體的宏觀殘余應力總是隨著微觀應力、晶內亞結構應力同時產生。對鋁合金鍛件而言，對鍛件使用或者后期的機加造成嚴重隱患的是第一類殘余應力，因此在消除鋁合金鍛件殘余應力時一般重點考慮第一類殘余應力。第一類殘余應力也不全是有害的，有時候工件在服役過程中還需要適宜的宏觀殘余應力來起著與工作載荷產生的工作應力同樣的作用。因此，在設計鍛件成形工藝時也需注意第一類殘余應力的影響。另外，當對材料的微觀組織或結構性能進行研究時，需要注意材料的微觀應力或者晶內亞結構應力，此時材料的微觀應力或者晶內亞結構應力是評估材料損傷或者位錯的重要指標[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行仿真模擬，其結果如圖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，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接觸溫降較快，而心部金屬僅靠材料間的熱傳導，溫降較慢，此時，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生殘余應力的原因。最后，由于淬火時間的增加，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，導致材料內部出現了熱應力，其分布情況見圖2。

圖2 淬火過程應力變化圖

圖2為鍛件在淬火時的應力變化情況。可以看出，在淬火前，鍛件不管表層還是心部都沒有應力。當鍛件剛入水時，金屬表層溫度下降較快，而心部溫度下降較慢，從而導致鍛件內產生熱應力，此時主要表現為表拉心壓，這主要是由鍛件內外熱收縮程度不同導致的。隨著淬火時間延長，溫度分布趨于相同，此時應力主要表現為表壓心拉（見圖2（e））。由此可知，鍛件的殘余應力主要是由鍛件表面與心部產生的熱脹冷縮不同步造成的，其本質是溫度不均勻而產生的熱應力。

3 冷壓過程仿真模擬

根據多次實驗結果采用冷變形率為3%設計相應的冷壓模具，并通過數值模擬得到鍛件在冷壓過程中的應力變化情況。根據設計原則首先設計出相應的冷壓鍛件，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力變化。從圖中可以看出在淬火結束后鍛件呈現出表壓心拉的應力情況，其數值范圍大致為-150 MPa~150 MPa。壓應力主要集中在各個筋條最高處，拉應力主要集中于鍛件腹板中心，一般與距鍛件表面距離有關，距鍛件表面越遠，殘余拉應力越大。淬火鍛件經冷壓處理后殘余應力大幅下降，最后應力范圍大致為-30 MPa~45 MPa。說明3%的冷壓變形率對殘余應力的消減具有較好的效果。

圖4 冷壓殘余應力消除情況

4 結論

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

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

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