7050鋁合金中厚板拉伸對(duì)殘余應(yīng)力消減工藝研究

何康樂，韓正堯

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 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(jìn)行單體式結(jié)構(gòu)件的加工，從那時(shí)起已經(jīng)對(duì)殘余應(yīng)力著手開始研究，隨著技術(shù)的增加對(duì)機(jī)加工后工件不變形越發(fā)看重。國內(nèi)外公司對(duì)80mm后以上的板材機(jī)加工量要求幾乎達(dá)到95%~98%被加工到，所以對(duì)殘余應(yīng)力消除方面的要求極高，每年投入極大的成本進(jìn)行殘余應(yīng)力方面的改善項(xiàng)目，造成成本過高機(jī)加工費(fèi)用。

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

上述研究工作對(duì)找尋殘余應(yīng)力與淬火后拉伸停留時(shí)間和拉伸率之間的關(guān)系，為解決7050合金板材在機(jī)加工時(shí)變形的情況作為基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程為固溶淬火、拉伸、取樣、機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定屈服強(qiáng)度為220MPa、設(shè)定拉伸速率為4mm/s。

典型7050合金實(shí)驗(yàn)料化學(xué)成分如下表1所示。

表1 7050合金典型化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)方案1：以表2中規(guī)定的拉伸停留時(shí)間進(jìn)行拉伸，檢測最終機(jī)加工變形情況探索不同證拉伸停留時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

表2 7050合金要求拉伸停留時(shí)間

實(shí)驗(yàn)方案2：以表3中規(guī)定的拉伸率進(jìn)行拉伸，檢測最終機(jī)加工變形情況探索不同拉伸率對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

表3 7050合金要求拉伸率

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)方案1結(jié)果：厚度為76.2mm板材在不同拉伸停留時(shí)間下的殘余應(yīng)力變化情況如下圖1、圖2所示。

圖1 不同測量序號(hào)下的單次擾度變化情況

圖2 不同測量序號(hào)下的總擾度變化情況

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

圖3 不同測量序號(hào)下的單次擾度變化情況

圖4 不同測量序號(hào)下的總擾度變化情況

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

圖5 不同測量序號(hào)下的單次擾度變化情況

圖6 不同測量序號(hào)下的總擾度變化情況

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出板材拉伸率固定的情況下，拉伸停留時(shí)間越少留存的殘余應(yīng)力越少，殘余應(yīng)力越消除的越好。拉伸停留時(shí)間越長，相當(dāng)于經(jīng)歷了越長一段時(shí)間的自然時(shí)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(yīng)力。板材未拉伸之前在殘余應(yīng)力的作用下表層受壓應(yīng)力、心部受拉應(yīng)力；而在拉伸機(jī)拉伸時(shí)板材表層受拉應(yīng)力、心部受拉應(yīng)力，所以控制好拉伸率可造成表層拉伸力達(dá)到平衡消除表層殘余應(yīng)力，而心部仍保留一部分拉應(yīng)力，不能完全消除殘余應(yīng)力，只能適當(dāng)控制殘余應(yīng)力。拉伸控制好可以在厚度方向很好的控制殘余應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)方案2結(jié)果：厚度為127mm板材在不同拉伸率下的殘余應(yīng)力變化情況如下圖7、圖8所示。

圖7 不同測量序號(hào)下的單次擾度變化情況

圖8 不同測量序號(hào)下的總擾度變化情況

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出板材在拉伸停留時(shí)間固定的情況下，拉伸率在1.5%~2.5%之間時(shí)，拉伸率越大留存的殘余應(yīng)力越少，殘余應(yīng)力越消除的越好，但具體相差不太大。

實(shí)驗(yàn)方案2和3結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果：厚度為63.5mm板材在不同拉伸停留時(shí)間以及不同拉伸率下殘余應(yīng)力變化情況如下圖9、圖10所示。

圖9 不同測量序號(hào)下的單次擾度變化情況

圖10 不同測量序號(hào)下的總擾度變化情況

通過方案二、三試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，板材拉伸率固定的情況下，拉伸停留時(shí)間越少留存的殘余應(yīng)力越少，殘余應(yīng)力越消除的越好。在拉伸停留時(shí)間固定的情況下，板材拉伸率在1.5%-2.5%之間時(shí)，拉伸率越大留存的殘余應(yīng)力越少，殘余應(yīng)力越消除的越好。通過方案二、三試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，拉伸停留時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響比拉伸率的影響更大。

3 淬火以及拉伸對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律

板材的殘余應(yīng)力也可以表示為板的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之間的差值。

拉伸對(duì)超硬鋁合金（7系鋁合金）板的殘余應(yīng)力分布是淬火、拉伸停留時(shí)間、拉伸率、拉伸均勻性綜合導(dǎo)致的結(jié)果。板材殘余應(yīng)力的分布是由厚度方向的強(qiáng)度的差異直接導(dǎo)致的。

板材厚度方向強(qiáng)度差異是由淬火中板材急速冷卻時(shí)表面和心部的冷卻速率差異；淬火后自然時(shí)效時(shí)間對(duì)板材表面和心部造成的差異，由于淬火情況、織構(gòu)、晶粒組織和成分的不同導(dǎo)致淬火后表面和中心的自然時(shí)效速度也不同；拉伸時(shí)均勻性的差異所造成的。拉伸后板材L和LT方向殘余應(yīng)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(jié)果。淬火后預(yù)拉伸應(yīng)力明顯分布為表面壓應(yīng)力和心部拉應(yīng)力，在這兩個(gè)力共同作用下造成最終成品板材殘余應(yīng)力分布差異。淬火工藝優(yōu)化(包括淬火過程中的板溫?cái)?shù)據(jù))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(yōu)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(shí)間的縮短、拉伸時(shí)L方向應(yīng)力和板材原始?xì)堄鄳?yīng)力的平衡。

4 結(jié)語

目前中國航空工業(yè)正在迅速發(fā)展，如果殘余應(yīng)力消除不當(dāng)，殘余應(yīng)力過高，將造成內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不影響客戶機(jī)加工過程。例如在加工過程中出現(xiàn)彈刀現(xiàn)象、或者發(fā)生加工以后靜放時(shí)的自動(dòng)變形，影響工件的精度。國內(nèi)外公司對(duì)殘余應(yīng)力消除方面的要求極高，每年投入極高的價(jià)錢進(jìn)行殘余應(yīng)力方面的改善項(xiàng)目，以取得良好的效果。已分析出殘余應(yīng)力與鑄造、均質(zhì)、軋制、熱處理等方面的關(guān)系。極大程度的改善公司的工藝過程。本文對(duì)7050合金的淬火以及拉伸對(duì)殘余應(yīng)力的消除作了闡述，并相對(duì)做了一定優(yōu)化方面的推薦，以期對(duì)致力于消除殘余應(yīng)力的企業(yè)有所幫助。