二維拉伸對鋁合金薄壁件淬火后殘余應力的影響

鄭偉

本研究旨在減小7075鋁合金薄壁件淬火后的殘余應力。在實驗方法上對淬火過程采用Ansys Workbench15.0的穩態熱（steady-state thermal）和瞬態熱（transient thermal）模塊模擬，并采用靜力學結構（static structural）模塊進行拉伸仿真實驗。結果表明，一維拉伸方法只能消除部分殘余應力，而二維拉伸方法可以使殘余應力達到最小。結果提示，采用二維拉伸法當長度和寬度方向拉伸量被控制在一定范圍時可以消除絕大多數殘余應力。

鋁合金薄壁件廣泛地存在于航空航天以及通信領域的典型零件中，淬火后的殘余應力是導致其后續機加工變形的重要原因。含有淬火后殘余應力的坯料在加工時由于去除部分殘余應力的釋放導致加工完成后構件尺寸變形嚴重，以致報廢，降低了生產效率，影響了航天業的發展。

在國外，德國的Robinson采用過載壓縮法減少殘余應力，他將薄壁件從長度方向進行3%的過載壓縮實驗，但是零件只有局部殘余應力有所降低。美國的Yoshihara使用機械拉伸法對最常用的拉伸板進行了殘余應力消除效果和拉伸變形量的研究，認為拉伸量一般控制在1.0%～3.0%時可以很好的消除殘余應力，具體拉伸量多大能使殘余應力消除量最大并沒有提出。在國內，林高等分別用模型詳細探討了淬火后殘余應力的形成機理，從一維角度和塑性變形不均勻角度探討了薄壁板殘余應力形成與分布的機制，闡述淬火過程中材料不同位置、不同時刻應力相互作用的機制。王秋成采用長度方向的機械拉伸法來減少殘余應力，但這種方法最高只能消除80%的殘余應力。

以上都是一維拉伸方法，但這些方法只能消除一部分殘余應力，還是會對后續機械加工帶來影響。因此有必要進一步對淬火后鋁合金殘余應力進行大量消除。本文先對鋁合金薄壁件進行淬火模擬，然后利用有限元軟件來仿真一維拉伸法與二維拉伸法對殘余應力的消除程度，最后通過比較實驗數據得出結論。

1二維拉伸法分析

淬火殘余應力的產生是淬火過程中溫度與組織轉變共同影響的結果，包括溫度差異引起的熱應力與組織轉變引起的組織應力，對于鋁合金來說，淬火過程中相變作用不明顯，淬火殘余應力主要是冷卻時巨大的溫度梯度引起的熱應力。

鋁合金薄壁板經淬火后，由于其內外殘余應力在受到X或Y方向拉伸力超過材料的彈性極限后，將發生塑性變形，在拉伸前零件是有一定余量的，故拉伸后稍微的塑性變形不影響精加工后零件的尺寸精度。由于板材的內層金屬原來就具有殘余拉應力，所以殘余應力首先超過彈性極限使板材進入塑性變形。在經過長度方向（兩側）拉伸后，長度方向所產生的應力與淬火后板材中的應力疊加后的應力將沿著長度方向分布，并且大小明顯有所減小。當給寬度方向（兩側）拉伸后，寬度方向所產生的應力與淬火后板材中的應力疊加后的應力將沿著寬度方向分度，并且大小明顯有所減小。當給長度方向與寬度方向同時施加一定拉伸量的時候，板材中的殘余應力是淬火后板材中的殘余應力、長度方向殘余應力以及寬度方向所產生殘余應力的疊加。通過實驗可以驗證二維拉伸法比一維拉伸法能消除更多的殘余應力。

2不同方向拉伸的有限元仿真

2.1淬火前處理

利用workbench15.0軟件自帶的建模功能建立薄壁件淬火前模型，水箱規格為500*500*500， 7075鋁合金板的規格為200*100*5，水溫20℃，對流換熱系數為0.5W/（m·℃），導熱系數為0.6 W/（m·℃），水的密度為1000 kg/m3，加熱到500℃時突然放入水箱。

2.2鋁合金薄壁件淬火后殘余應力分析

利用ansys workbench15.0軟件對淬火后的材料進行殘余應力分析，并把水箱隱藏，由圖可知鋁合金板在淬火后殘余應力最高達到了72.196MPa。

2.3利用拉伸法仿真殘余應力消除結果

2.3.1寬度方向拉伸。使寬度方向一端固定，基于正交試驗法獲得拉伸量在0.1% -3.5%時殘余應力數值，經比較可知拉伸量在2.5%時殘余應力量消除最大，且過了這個值后殘余應力逐漸變大。該方向拉伸只消除了77.5%的殘余應力。

2.3.2長度方向拉伸。使長度方向一端固定，基于正交試驗法獲得拉伸量在0.1%-3.5%時殘余應力數值，經比較可知拉伸量在2.5%時殘余應力量消除最大，且過了這個值后殘余應力逐漸變大。該方向拉伸只消除了85%的殘余應力。

2.3.3長、寬度方向拉伸。采用二維拉伸，基于正交試驗法獲得拉伸量在0.1% -3.5%時殘余應力數值。經比較可知最大殘余應力達到最小值。

本文在一維拉伸法只能消除部分殘余應力的基礎上提出了二維拉伸法。仿真結果證明二維拉伸比一維拉伸能消除更多的殘余應力，尤其是當長寬方向拉伸量都達到2.5%時殘余應力消除了92.6%。