冷壓縮法消減7A85鋁合金鍛件淬火殘余應(yīng)力研究

代偉，易幼平，崔金棟

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冷壓縮法消減7A85鋁合金鍛件淬火殘余應(yīng)力研究

代偉，易幼平，崔金棟

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

為研究冷壓縮法對(duì)7A85鋁合金淬火殘余應(yīng)力消減效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得7A85鋁合金的比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等熱物性參數(shù)，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)7A85鋁合金試件進(jìn)行淬火及冷壓縮變形工藝仿真，研究淬火及冷變形工藝參數(shù)對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響，對(duì)7A85鋁合金試件淬火與冷壓縮變形工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采用X線衍射儀分別測(cè)試試件淬火及冷變形后的殘余應(yīng)力。研究結(jié)果表明：當(dāng)冷變形量為1%時(shí)，冷壓縮法可降低試件約70%的淬火殘余應(yīng)力，隨著冷變形量的增加，殘余應(yīng)力變化較小，表現(xiàn)出與拉伸法消減殘余應(yīng)力不同的變化特征。實(shí)驗(yàn)與仿真分析獲得的殘余應(yīng)力絕對(duì)誤差在40 MPa以?xún)?nèi)。

7A85鋁合金；淬火；殘余應(yīng)力；冷壓縮

7A85鋁合金是新一代高強(qiáng)韌、高淬透性航空結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)主承力構(gòu)件中[1]。固溶淬火是超高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件熱處理強(qiáng)化過(guò)程中重要工序之一，通過(guò)淬火使第二相溶質(zhì)完全固溶于基體后，經(jīng)人工時(shí)效使第二相元素在組織中均勻分布，從而提高其強(qiáng)度、韌度、耐腐蝕、抗疲勞等綜合力學(xué)性能[2]。但固溶淬火過(guò)程形成的殘余應(yīng)力易引起構(gòu)件在機(jī)加工過(guò)程產(chǎn)生較大變形甚至開(kāi)裂，目前已成為我國(guó)航空構(gòu)件制造面臨的重大難題。許多學(xué)者圍繞構(gòu)件的殘余應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，主要針對(duì)預(yù)拉伸厚板淬火工藝及殘余應(yīng)力形成機(jī)制[3?4]、拉伸法消減鋁合金厚板淬火殘余應(yīng)力[5?7]等方面開(kāi)展工作。這些對(duì)殘余應(yīng)力控制及消減方法主要適用于大厚板。雖然預(yù)拉伸板在航空構(gòu)件制造方面具有工藝穩(wěn)定、殘余應(yīng)力小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但也存在構(gòu)件機(jī)加工過(guò)程流線被切斷、力學(xué)性能各向異性、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等不足。同時(shí)，飛機(jī)關(guān)鍵承力構(gòu)件通常設(shè)計(jì)為模鍛件，以適應(yīng)飛機(jī)構(gòu)件輕量化、整體化的發(fā)展趨勢(shì)，單一的拉伸法消減殘余應(yīng)力不再適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模鍛件。國(guó)外航空制造企業(yè)普遍采用冷壓縮變形(Tx52)對(duì)模鍛件進(jìn)行淬火殘余應(yīng)力消減[8?10]，國(guó)內(nèi)尚未在此領(lǐng)域開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究。本文作者針對(duì)航空模鍛件Tx52消減殘余應(yīng)力工藝，結(jié)合國(guó)內(nèi)最新的7A85超高強(qiáng)鋁合金材料，開(kāi)展材料基礎(chǔ)試驗(yàn)，以7A85鋁合金試件為例，通過(guò)有限元仿真方法研究固溶淬火工藝對(duì)材料殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，分析不同冷壓縮變形量對(duì)試件淬火殘余應(yīng)力消減效果，在有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行7A85鋁合金試件淬火及冷壓縮變形工藝試驗(yàn)與殘余應(yīng)力測(cè)試，為復(fù)雜模鍛件的T7x52工藝研究提供了基礎(chǔ)。

1 有限元模型及材料參數(shù)

以7A85鋁合金長(zhǎng)×寬×高為100 mm×60 mm× 40 mm試件為例研究7A85-Tx52工藝，借助有限元仿真方法分析試件在固溶淬火、冷壓縮變形過(guò)程中殘余應(yīng)力演變規(guī)律。依據(jù)目前國(guó)內(nèi)企業(yè)已有的熱處理工藝制度，試件加熱至470 ℃，保溫4 h；試件入水轉(zhuǎn)移時(shí)間10 s，淬火水溫25℃，試件厚度40 mm。由于7A85鋁合金試件在冷壓縮變形后有一定回彈，根據(jù)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果設(shè)計(jì)了補(bǔ)償量，冷壓縮方案如表1所示。

表1 冷壓縮方案

材料物性參數(shù)是進(jìn)行淬火與冷變形工藝有限元仿真的基礎(chǔ)，對(duì)7A85鋁合金材料主要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。

1) 采用排水法測(cè)試密度，測(cè)得密度為2 820 kg/m3。

2) 采用差熱法(DSC)測(cè)量比熱容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，7A85鋁合金比熱容在410 ℃較高，達(dá)到1 253.2 J/(kg·℃)，存在明顯的峰值。

圖1 7A85鋁合金比熱容

3) 采用JR?3激光導(dǎo)熱儀測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)。先通過(guò)熱脈沖法測(cè)量材料熱擴(kuò)散率，再計(jì)算出導(dǎo)熱系 數(shù)[11?12]。在獲得材料比熱容及熱擴(kuò)散率后，導(dǎo)熱系數(shù)可由式(1)求出[13]：

7A85鋁合金熱膨脹系數(shù)采用德國(guó)NETZSCH DIL402C熱膨脹儀在Ar氣保護(hù)下測(cè)量。7A85鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)如表2所示。

表2 7A85鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)

4) 7A85材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。在應(yīng)力?應(yīng)變曲線中，將應(yīng)變分解為彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變，并輸入ABAQUS材料特性。對(duì)于7A85鋁合金材料應(yīng)力?應(yīng)變的非線性關(guān)系采用Ramberg?Osgood方程描述，對(duì)于塑性段，總應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變2部分構(gòu)成[15?16]，

其中：為應(yīng)變；為應(yīng)力；為彈性模量；和為與材料相關(guān)的常數(shù)。

在分析過(guò)程中，材料的各種熱物性參數(shù)隨溫度的變化而變化，可用于計(jì)算7A85鋁合金材料在淬火過(guò)程中殘余應(yīng)力的形成過(guò)程。

2 淬火及冷壓縮變形殘余應(yīng)力仿真分析

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)7A85鋁合金試件淬火及冷壓縮變形的殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。7A85鋁合金試件淬火結(jié)束后方向應(yīng)力分布如圖2所示，試件淬火后的殘余應(yīng)力呈典型的內(nèi)拉外壓特征。由于試件具有對(duì)稱(chēng)性，取試件芯部點(diǎn)1與表面點(diǎn)2進(jìn)行分析，位置如圖2所示。為方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真值比對(duì)分析，取試件仿真結(jié)果側(cè)面及截面位置的中間點(diǎn)測(cè)量其應(yīng)力，分別表征試件，和方向淬火后的殘余應(yīng)力，其方向及位置如圖2所示。

圖2 7A85鋁合金試件淬火Y方向應(yīng)力場(chǎng)

采取下模固定、上模下壓的方式對(duì)試件進(jìn)行冷壓縮變形，下壓速度為0.1 mm/s，冷壓縮后，試件芯部點(diǎn)1和表面點(diǎn)2的殘余應(yīng)力隨壓縮率變化曲線如圖3所示，其中試件未變形時(shí)的應(yīng)力即為淬火殘余應(yīng)力。由圖3可知：試件淬火后，尺寸方向最大殘余應(yīng)力比其他2個(gè)方向的大，且表面點(diǎn)2的法向殘余應(yīng)力約為0 MPa。模壓1%對(duì)試件殘余應(yīng)力消減效果較好，芯部點(diǎn)1的方向殘余應(yīng)力由265 MPa降至?33.8 MPa，表面點(diǎn)2的殘余應(yīng)力由?187.9 MPa降至51.7 MPa，冷變形可將最大值方向的殘余應(yīng)力消減70%左右。在變形量1%~5%范圍內(nèi)，冷壓縮變形時(shí)殘余應(yīng)力隨變形量的增加變化較小，表現(xiàn)出與拉伸法消減殘余應(yīng)力不同的變化規(guī)律。

試件1與2點(diǎn)在壓縮率為1%時(shí)殘余應(yīng)力變化曲線如圖4所示，由于試件淬火后有一定變形，上下模初始位置距試件各為2 mm，上模下壓4.0 mm時(shí)合模。由圖4可知：試件在上模下壓4.0~4.6 mm時(shí)應(yīng)力急劇增大，且承載的方向應(yīng)力增量最大，在上模回退后各方向應(yīng)力回復(fù)并形成殘余應(yīng)力。試件冷變形后，芯部點(diǎn)1的方向殘余應(yīng)力由147.3 MPa減至?22.4 MPa，方向的殘余應(yīng)力由265.1 MPa減至?34.8 MPa，方向殘余應(yīng)力雖然在加載過(guò)程中有較大的增加，但卸載回復(fù)后，應(yīng)力水平無(wú)較大變化；表面點(diǎn)2的方向應(yīng)力為垂直表面的應(yīng)力，其絕對(duì)值在模壓過(guò)程中均無(wú)明顯變化，方向殘余應(yīng)力水平由?175.5 MPa減至51.7 MPa，方向的殘余應(yīng)力由?133.4減至?6.6 MPa。通過(guò)冷變形可消減本文試件70%左右的淬火殘余應(yīng)力，并使試件殘余應(yīng)力分布更均勻。

(a) P1點(diǎn)；(b) P2點(diǎn)

淬火及冷變形后，按圖2所示試件側(cè)面及截面中心點(diǎn)殘余應(yīng)力仿真結(jié)果如表3所示，試件表面中間點(diǎn)淬火殘余應(yīng)力在130~180 MPa，且尺寸較大的長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力絕對(duì)值較大。試件冷變形1%后，各個(gè)方向的殘余應(yīng)力絕對(duì)值均有顯著下降，試件殘余應(yīng)力隨著變形量的增加絕對(duì)值變化比較小，這是由于試件形狀規(guī)則、尺寸小，且7A85鋁合金材料延展性較好。

表3 7A85鋁合金試件淬火及模壓仿真殘余應(yīng)力

3 淬火及冷壓縮變形工藝實(shí)驗(yàn)

7A85鋁合金試件經(jīng)線切割與表面打磨后固溶處理，固溶溫度為470 ℃，保溫4 h后進(jìn)行水淬，采用X線衍射儀測(cè)量淬火后試件的殘余應(yīng)力。測(cè)量時(shí)，輻射線CoK，X線管流為4 mA，管壓為20 kV，曝光時(shí)間為2 s，每個(gè)位置曝光次數(shù)為10次，儀器對(duì)試件掃描后計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集并處理數(shù)據(jù)，給出殘余應(yīng)力。將淬火后的試件進(jìn)行冷壓縮變形，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為4 000 t數(shù)控液壓機(jī)，上下模具采用平砧。對(duì)各個(gè)試件按標(biāo)記分別施加1%，2%，3%，4%和5%的壓縮率，模壓速度為0.1 mm/s，壓縮量由液壓控制系統(tǒng)精確控制。

壓縮后采用X線衍射儀按圖2所示方向測(cè)量試件側(cè)面和截面中心點(diǎn)殘余應(yīng)力，分別表征試件，和方向模壓后的殘余應(yīng)力。淬火及冷變形后殘余應(yīng)力如表4所示，其中壓縮率這0的應(yīng)力即試件淬火殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)試件施加冷變形1%可使各個(gè)方向的殘余應(yīng)力絕對(duì)值顯著下降，冷壓縮法削減7A85鋁合金鍛件淬火殘余應(yīng)力具有較理想的效果，且試件殘余應(yīng)力隨著冷壓縮變形量的增加絕對(duì)值變化較小。

表4 7A85鋁合金試件淬火及模壓實(shí)驗(yàn)殘余應(yīng)力

7A85鋁合金試件淬火及冷壓縮變形工藝實(shí)驗(yàn)測(cè)得的殘余應(yīng)力與仿真值對(duì)比如圖5所示。可見(jiàn)：試件3個(gè)方向上殘余應(yīng)力趨勢(shì)相同，特別當(dāng)淬火及冷變形量較小時(shí)，應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，絕對(duì)誤差在20 MPa以?xún)?nèi)；當(dāng)變形量較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)波動(dòng)，與仿真曲線出現(xiàn)交叉，絕對(duì)誤差在40 MPa以?xún)?nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文采用的冷壓縮法削減7A85鋁合金鍛件淬火殘余應(yīng)力有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性。

(a) X方向；(b) Y方向；(c) Z方向

4 結(jié)論

1) 建立了7A85鋁合金試件淬火與冷壓縮變形有限元仿真模型。

2) 研究了7A85鋁合金試件淬火及冷變形工藝參數(shù)對(duì)試件殘余應(yīng)力的影響，冷壓縮變形量為1%時(shí)，可降低試件約70%的淬火殘余應(yīng)力，冷壓縮變形量對(duì)殘余應(yīng)力影響較小，不同于拉伸法消減殘余應(yīng)力的變化特征。

3) 7A85鋁合金試件仿真結(jié)果與試驗(yàn)獲得的殘余應(yīng)力變化規(guī)律一致，絕對(duì)誤差在40 MPa以?xún)?nèi)。

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Reduction of quenching residual stress for 7A85 aluminum alloy forging by cold compression

DAI Wei, YI Youping, CUI jindong

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the quenching residual stress reducing effect of 7A85 aluminum alloy by cold compression method, the experiments on 7A85 aluminum alloy were carried out to get thermal properties parameters such as the specific heat, thermal conductivity and thermal expansion coefficient. The quenching and cold compression processes for 7A85 aluminum alloy specimen were simulated by ABAQUS finite element software. The influences of process parameters on the quenching and cold compressed residual stress were studied. The experiments of quenching and cold compressed processes for 7A85 aluminum alloy specimen were performed and the residual stresses of specimens were tested by X-ray diffraction. The results show that the quenching residual stress decreases by 70% on the condition of 1% cold compression. The residual stress changes a little with the increase of cold compression, which displays different characters from the method of residual stress reduction by tension. The absolute error between the tested results of residual stress and the simulated results is less than 40 MPa.

7A85 aluminum alloy; quenching; residual stress; cold compression

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.006

V414.3+2

A

1672?7207(2015)05?1609?06

2015?02?02；

2015?05?15

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB619504) (Project(2012CB619504) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program))

易幼平，博士，教授，從事航空鍛件制造工藝與組織性能控制技術(shù)研究；E-mail: yyp@mail.csu.edu.cn

(編輯 趙俊)