7050鋁合金殘余應(yīng)力冷變形消減工藝仿真研究

王 浩，肖納敏，李惠曲，沙愛(ài)學(xué)

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

7×××系鋁合金是目前航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的一類(lèi)高強(qiáng)高韌鋁合金，其構(gòu)件通常需要經(jīng)過(guò)開(kāi)坯鍛造,以及固溶-淬火-時(shí)效熱處理，以提高材料的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能以及耐腐蝕性能等[1]。然而，固溶淬火后鋁合金構(gòu)件易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，尤其對(duì)于大型、整體、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，其淬火殘余應(yīng)力非常大。構(gòu)件在后續(xù)機(jī)械加工過(guò)程中，由于外界條件的改變，構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，殘余應(yīng)力被釋放和重新分布，導(dǎo)致加工后的零部件在沒(méi)有約束的條件下易產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形現(xiàn)象[2-3]。除此之外，構(gòu)件中淬火殘余應(yīng)力的存在還會(huì)降低材料的耐腐蝕、抗疲勞性能，導(dǎo)致構(gòu)件在服役期間出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題，大大降低構(gòu)件的使用壽命和安全性能。因此，如何有效預(yù)測(cè)、控制、消減鋁合金構(gòu)件中的殘余應(yīng)力是目前航空航天等領(lǐng)域中極為重要的研究方向[4-8]。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、積累和消減是一個(gè)非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，受到熱處理工藝、零件幾何結(jié)構(gòu)和材料特性等多方面因素的交互影響。對(duì)于復(fù)雜鋁合金零件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)“試錯(cuò)”的方法來(lái)探索殘余應(yīng)力分布規(guī)律將耗費(fèi)大量的人力物力。數(shù)值模擬技術(shù)可以將工序間的變形、傳熱以及殘余應(yīng)力統(tǒng)一考慮，是優(yōu)化與控制工藝參數(shù)的有效手段[9-11]。為了研究鋁合金零件制造過(guò)程的殘余應(yīng)力分布規(guī)律以及冷變形對(duì)殘余應(yīng)力消減的控制規(guī)律，本文基于實(shí)測(cè)的7050鋁合金熱物性和力學(xué)性能參數(shù)，構(gòu)建了高精度的熱力耦合數(shù)值模型，分析殘余應(yīng)力在熱處理及冷變形全過(guò)程的演化規(guī)律，為冷變形殘余應(yīng)力控制技術(shù)提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

仿真參數(shù)設(shè)置是保障仿真結(jié)果可靠性的重要環(huán)節(jié)。本部分研究重點(diǎn)針對(duì)7050鋁合金的彈性常數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)、高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線、等效界面換熱系數(shù)等對(duì)傳熱與變形有重要影響的參數(shù)開(kāi)展測(cè)試。測(cè)試材料采用鍛前01狀態(tài)的7050鋁合金坯料。

1.1 7050鋁合金熱物性參數(shù)測(cè)試

熱導(dǎo)率采用非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量，熱擴(kuò)散率采用激光脈沖法測(cè)量，利用待測(cè)樣品與參考樣品比較的方法測(cè)量試樣的比熱容。測(cè)試裝置為美國(guó)Anter公司生產(chǎn)的Flashline-5000 Thermal Properties Analyzer。在此設(shè)備上可同時(shí)完成熱擴(kuò)散率、比熱容、熱導(dǎo)率的測(cè)試和計(jì)算。試驗(yàn)測(cè)得的不同溫度下7050鋁合金熱擴(kuò)散率、比熱容和熱導(dǎo)率如表1所示。

表1 不同溫度下7050鋁合金比熱容、熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散率

表2 不同溫度下7050鋁合金的彈性常數(shù)

熱膨脹系數(shù)采用頂桿法測(cè)量，測(cè)試裝置為美國(guó)Anter公司生產(chǎn)的UnithermTM-1252 Ultra High Temperature Dilatometer。測(cè)得的不同溫度下7050鋁合金的熱膨脹系數(shù)如表3所示。

表3 不同溫度下7050鋁合金的熱膨脹系數(shù)

1.2 7050鋁合金高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試及本構(gòu)模型

圖1 7050鋁合金375 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及溫升曲線

模擬高溫塑性成形最常用的模型是Sellars等[12]提出的雙曲正弦表達(dá)式：

(1)

從式(1)可以看出，實(shí)際上Sellars模型中當(dāng)應(yīng)變速率和溫度確定后，流變應(yīng)力是一個(gè)定值，公式只描述了穩(wěn)態(tài)階段的屈服點(diǎn)，對(duì)材料的硬化、軟化、回彈等過(guò)程均未給予描述。因此，本部分研究采用Hansel-Spittel熱黏塑性流變應(yīng)力模型描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。Hansel-Spittel模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2)

(3)

在模型(3)里，主要需要確認(rèn)A、m1、m2、m3、m4、m8等參數(shù)。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，獲得的7050鋁合金本構(gòu)模型參數(shù)如表4所示。

表4 7050鋁合金Hansel-Spittel本構(gòu)模型參數(shù)

1.3 界面換熱系數(shù)

圖2 反求獲得的界面換熱系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 7050鋁合金試塊淬火應(yīng)力分析

2.2 7050鋁合金試塊冷壓分析

圖5 不同壓下量冷壓時(shí)試樣長(zhǎng)度方向主應(yīng)力分布(60 淬火)

2.3 卸載對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

不同壓下量卸載后高度方向的最大與最小主應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同壓下量卸載后試塊中心截面主應(yīng)力分布(60 淬火)

由圖6可知：卸載回彈過(guò)程中，彈性變形的回復(fù)對(duì)殘余應(yīng)力影響很大。總的來(lái)看，壓下量越小，則卸載回彈對(duì)冷壓效果的影響越大。1%壓下量下，卸載前心部為三向壓應(yīng)力狀態(tài)；卸載后，壓應(yīng)力狀態(tài)基本消失，心部基本呈現(xiàn)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。隨著壓下量的增加，其心部壓應(yīng)力值都有所減少，但仍然保持三向壓應(yīng)力狀態(tài)。這主要是因?yàn)樽冃瘟吭酱螅渌苄宰冃嗡嫉谋壤苍酱螅孕遁d對(duì)應(yīng)力的影響減弱。當(dāng)變形量從3%增加到5%時(shí)，卸載對(duì)殘余應(yīng)力的影響相比變形是從1%到3%的變化逐漸降低。這主要是因?yàn)樽冃瘟吭酱螅牧显饺菀走M(jìn)入屈服狀態(tài)。一旦材料進(jìn)入屈服狀態(tài)，彈性卸載的影響就會(huì)降低。卸載回彈對(duì)表層的應(yīng)力影響較為復(fù)雜，這可能與摩擦力對(duì)表層的影響較大有關(guān)。總的來(lái)看，卸載回彈會(huì)削弱冷壓導(dǎo)致的壓應(yīng)力效果，變形量越大，其卸載回彈的影響越小。綜合考慮內(nèi)部應(yīng)力消減效果的保持，3%是一個(gè)較理想的預(yù)變形量，仍然可以在卸載后保持一定程度的內(nèi)部壓應(yīng)力。

3 結(jié)論

(2) 單軸平面壓縮，可以改變心部的三向拉應(yīng)力狀態(tài)至三向壓應(yīng)力狀態(tài)，壓應(yīng)力狀態(tài)改變并不隨壓下量呈線性變化。當(dāng)壓下量超過(guò)3%時(shí)，壓下量的增加對(duì)其心部壓應(yīng)力狀態(tài)的改變幅度逐漸減弱。

(3) 卸載對(duì)冷變形的效果有明顯影響，如果變形量不足以引起鍛件大范圍進(jìn)入屈服狀態(tài)，卸載將削弱冷變形導(dǎo)致的壓應(yīng)力效果。綜合考慮，3%的預(yù)變形量可以保證鍛件在卸載后仍然保持有效的應(yīng)力消減效果。