預拉伸對新淬火態2A12硬鋁合金殘余應力和力學性能的影響

朱 彤,吳建軍,郭錫明,靳 力

（1.西北工業大學 機電學院，陜西 西安 710072；2.西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

預拉伸對新淬火態2A12硬鋁合金殘余應力和力學性能的影響

朱 彤1,吳建軍1,郭錫明2,靳 力1

（1.西北工業大學 機電學院，陜西 西安 710072；2.西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

對新淬火態2A12硬鋁合金不同預拉伸量下的殘余應力和力學性能進行了研究，得到了取得最小殘余應力值的預拉伸量，分析了新淬火態鋁合金薄板表面殘余應力的方向問題，并對屈服強度和抗拉強度在不同拉伸量下的分布規律作了探討。

機械制造；材料試驗；2A12硬鋁合金；預拉伸；殘余應力；力學性能

1 引言

隨著航空工業的發展，新一代的飛機對輕量化和整體化提出了更高的要求，越來越多的飛機零件尺寸變得越來越大，結構也越來越復雜。同時為了滿足重量的要求，越來越多的金屬蜂窩結構應用在飛機的設計中。其中2A12鋁合金是Al-Cu-Mg系高強硬鋁合金，具有良好的成形能力和機械加工性能[1]，是制作飛機金屬蜂窩面板的首選材料。

硬鋁合金在成形和熱處理過程中，其內部不可避免地引入殘余應力。為了降低毛坯初始殘余應力引起的加工變形，必須設法抑制與消除鋁合金板材內部的殘余應力。預拉伸消除殘余應力的方法是將淬火后的板材在規定的時間內，進行一定量的永久拉伸塑性變形，通過彈性變形向塑性變形的過渡來消除殘余應力。采用預拉伸法不但可以保持熱處理強化合金所具有的高強度性能，還能實現優良的加工和機械性能[2][3]。因此，研究預拉伸消除殘余應力有著重要意義。

本文通過對新淬火態2A12硬鋁合金在不同預拉伸量下的試驗，研究了其對殘余應力和力學性能的影響，并對結果規律進行了探討。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料與試件

選用厚度為0.5mm的退火態2A12鋁合金薄板，其化學成分如表1所示。在2A12板材上切取預拉伸試件，尺寸為252mm×50mm×0.5mm的條塊。并按照GB/T228－2002[4]，切割單拉試件，并規定單拉試件平行于長度的方向為長度方向。

表1 2A12的化學成分

2.2 試驗設備

參照YS/T591－2006的規定[5]，用箱式淬火爐進行淬火處理，在水中冷透后立即擦干放入－20℃的冰柜中，在隨后的試驗中采用裝有科技冰的醫藥保溫箱進行運輸。力學性能測試和預拉伸在10t的電子萬能試驗機上進行，殘余應力在Xpert pro粉末衍射儀上測量。

2.3 試驗方法

將所有試件進行淬火處理，固溶溫度497℃，保溫時間30min，轉移時間3s，淬火水溫20℃。淬火后立即擦干放入冰柜中。

（1）將 252mm×50mm×0.5mm的條塊試件用重物壓住試件兩端，使用高度尺測量翹曲鼓包高度，其測量精度達到0.02mm，并標出鼓包位置。進行預拉伸實驗，預拉伸量從1%～5%，由于板料長度較長，寬度較短，拉伸時可視為單向拉伸，寬度方向收縮忽略。試驗結果如表2所示。

表2 2A12硬鋁合金板料的鼓包高度及個數

（2）將單拉試件按照預拉伸量為0%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%進行試驗，并將不同拉伸量下的試件進行殘余應力和力學性能測試。試驗結果如表3、圖1、圖2所示。

3 試驗結果與分析

從表2中可以看出，當預拉伸量為2%時，2A12鋁合金板料的鼓包高度最低，數量最少，效果最佳。

表3 2A12硬鋁合金的殘余應力與力學性能

圖1所示為殘余應力與新淬火態2A12硬鋁合金薄板經預拉伸量分別為0%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%處理后的關系。圖中可見殘余應力在未經預拉伸和拉伸量為1.5%時為拉應力，而在預拉伸量為2.1%、2.4%、2.7%、3.0%時為壓應力。且在拉伸量為1.8%處由于應力值過小而無法用XRD測出應力值，這說明在拉伸量為1.8%附近殘余應力值接近于零。這與表2中所得在預拉伸量2%左右殘余應力最小相符。

此外，薄板在未預拉伸和預拉伸初始階段表面殘余應力成拉應力狀態，這與一般淬火態鋁合金厚板殘余應力程“外壓內拉”的規律相反。這是因為淬火開始瞬間，板料表層相對芯部溫度要高，冷卻速度要大，于是表層相對芯部收縮，受到拉應力，相應的芯部受到反方向的壓應力。當表層已經冷卻而芯部尚未冷卻時，由于此時芯部屈服強度低于表層，更易于變形，故一般厚板的芯部在冷卻時收縮量要大于表面，最終會受到外表面約束呈現拉應力，同時表層卻呈現壓應力[6]。而本文所采用的板料極薄，只有0.5mm，淬火時溫度梯度很小，其所提供的能量無法使芯部冷卻時所受壓應力超過屈服強度，因此薄板表面殘余應力仍呈拉應力狀態。

在預拉伸過程中，由于薄板表層原先就具有拉應力，其比芯部更早進入塑性變形階段，變形速度也快于芯部，這使得薄板內外層產生與新淬火態相反的附加應力狀態。去除外力后，板材彈性應變松弛，應力被釋放。當拉伸量為1.8%附近時，殘余應力接近0MPa，當拉伸量更大時，又會產生新的反向殘余應力，這就是為什么預拉伸量超過1.8%后殘余應力反向增大的原因[7]。

圖2為不同預拉伸量與新淬火態2A12硬鋁合金力學性能的關系。圖中可見新淬火態鋁合金薄板隨著預拉伸量的增加，屈服強度值也相應增加。這是因為預拉伸在鋁合金中引入大量位錯，而一方面GP區等析出相周圍基體相中的彈性應力場阻礙位錯運動，另一方面當位錯切過GP區時發生化學強化，兩者共同作用提高了鋁合金的屈服強度[8]。從圖中還可以看到抗拉強度在預拉伸量0%～1.5%間也隨著拉伸量的增大而增大，但在預拉伸量1.5%～3.0%間變化不大，且有略微下降趨勢。這是因為當預拉伸量增大到某一值時，其變形量足夠導致GP區與基體相之間產生的應力應變可以誘發回復和再結晶，而鋁合金的硬度也會隨之降低[8]。這些對彈性應力場和化學強化引起的強度隨預拉伸量升高的現象起著相反作用，故抗拉強度在預拉伸1.5%后不再隨拉伸量的增大而增大。4 結論

（1）新淬火態2A12鋁合金薄板在預拉伸量為1.8%附近時有殘余應力最小值，此時取得預拉伸效果最佳。

（2）由于鋁合金薄板厚度方向上溫度梯度極小，淬火時芯部變形有限，故未經預拉伸薄板表面殘余應力呈拉應力狀態。

（3）新淬火態2A12鋁合金薄板由于彈性應力場和化學強化的作用，以及回復和再結晶的反作用使得抗拉強度在預拉伸量為1.5%時達到最大值。

[1] 張士林，任頌贊.簡明鋁合金手冊[M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，2001：344－396.

[2] 王樹宏，馬康民，馬 俊.預拉伸鋁合金板7075T7351內部殘余應力分布測試.空軍工程大學學報(自然科學版)[J]，2004，5（3）：18－21.

[3] 張園園，吳運新，李麗敏，張明容.7075鋁合金預拉伸板淬火后殘余應力的有限元模擬.熱加工工藝[J].2008，37（4）：88－91.

[4] 全國鋼標準化技術委員會.GB/T228－2002金屬材料室溫拉伸試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2002：16－17.

[5] 全國有色金屬標準化技術委員會.YS/T591－2006變形鋁及鋁合金熱處理規范[S].北京：中國標準出版社，2006：1－19.

[6] Boyer J C，Boivin M.Numerical calculations of residualstress relaxation in quenched plates [J].Materials Science and Technology，1985，1（10）：786－792.

[7] 陸海慶，張思平.7050～T7651鋁合金預拉伸厚板生產工藝研究.鋁加工[J]，2004，15（7）：71－85.

[8] 劉云旭.金屬熱處理原理[M].北京：機械工業出版社，1981：266－281.

Influence of pre-stretching on residual stresses and mechanical properties of 2A12 as-quenched duralumin

ZHU Tong1,WU Jianjun1,GUO Ximing2,JIN Li1
（1.School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China;2.Xi'an Aircraft Industry(Group)Co.,Ltd.,Xi'an 710089,Shanxi China）

The residual stresses and mechanical properties of 2A12 as－quenched duralumin under different conditions of pre－stretching have been studied.And the optimal pre－stretching for minimum residual stresses has been obtained in the experiment.The orientation problem of residual stresses in 2A12 as－quenched duralumin plate has been analyzed,and the rules of yield strength and tensile strength under different conditions of pre－stretching have been discussed.

New quenching state;Pre－stretching;Residual stresses;Mechanical properties

TG156.94

A

1672－0121（2012）02－0091－03

國家自然科學基金（基金號51075332）

2011-12-05

朱 彤（1987-），男，碩士在讀，主攻計算機輔助成形與仿真技術