李 晨，張新全，謝林軍，袁武華

(1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089；2.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

7050鋁合金是航空航天領(lǐng)域大型構(gòu)件制造中廣泛使用的一種超高強(qiáng)韌輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，通常采用固溶時(shí)效熱處理來提高力學(xué)性能[1-4]。但是，固溶淬火過程中，快速冷卻導(dǎo)致溫度不均勻分布，在材料內(nèi)部形成較大的淬火殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力不僅影響合金結(jié)構(gòu)件的使用性能，也使零件機(jī)加工過程中出現(xiàn)尺寸不穩(wěn)定等現(xiàn)象[5-6]。在保證結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的前提下，一般采用控制水溫的方式來降低制品的殘余應(yīng)力,避免淬火開裂。對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件來說，少量的冷壓塑性變形可以使構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布，是消減淬火殘余應(yīng)力的一種有效途徑[7-9]。然而，不同水溫淬火試樣冷壓后，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。本試驗(yàn)在分析淬火水溫對(duì)殘余應(yīng)力影響基礎(chǔ)上，分析高、低水溫淬火試樣在冷壓過程中的殘余應(yīng)力及力學(xué)性能變化規(guī)律，為高強(qiáng)鋁合金結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力控制提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)所用7050鋁合金試樣從萬航模鍛有限責(zé)任公司提供的鍛坯上切取，試樣尺寸為165 mm×65 mm×50 mm(L×LT×ST)，化學(xué)成分如表1中所示。試樣經(jīng)477 ℃7 h固溶處理后迅速淬火冷卻，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不大于10 s，淬火冷卻水溫分別為20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃，分別測(cè)試試樣冷卻過程中的溫度變化及冷卻后的殘余應(yīng)力。再分別選取20 ℃、60 ℃水溫淬火試樣進(jìn)行1%～4%不同變形量冷壓，冷壓模型示如圖1所示。對(duì)合金不同狀態(tài)的殘余應(yīng)力和時(shí)效后的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。殘余應(yīng)力測(cè)試使用Proto iXRD X射線殘余應(yīng)力衍射儀。表面殘余應(yīng)力測(cè)試部位如圖2所示。時(shí)效工藝為121 ℃6 h+177 ℃7 h。拉伸試樣按照國標(biāo)GB/T 228.1-2010，在Landmark型50 kN電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1.5 mm/min。

表1 7050鋁合金鍛件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 冷壓模型示意圖

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火水溫對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響

試樣表面測(cè)試點(diǎn)沿x、y方向的殘余應(yīng)力σx與σy測(cè)試結(jié)果如圖3所示。試樣在20 ℃～80 ℃淬火后的表面x、y方向的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，整體而言，表面殘余應(yīng)力隨淬火水溫升高而降低，在40 ℃～60 ℃淬火水溫區(qū)間，殘余應(yīng)力變化不明顯。在試樣長(zhǎng)度x方向，沿表面中心線由中心到邊緣區(qū)域σx呈現(xiàn)先增加而后減小的趨勢(shì)；在試樣寬度y方向上，沿著表面中心線由中心到邊緣區(qū)域σy呈現(xiàn)先減小而后增加的趨勢(shì)。20℃水溫淬火試樣表面除邊緣外，其余各點(diǎn)x方向殘余應(yīng)力σx均在220 MPa左右，而y方向的殘余應(yīng)力σy均在220 MPa～300 MPa之間。40 ℃、60 ℃水溫淬火試樣表面殘余應(yīng)力的大小和分布比較接近，σx均在130 MPa(除邊緣外)，與20 ℃淬火試樣相比降低約40%；σy約為220 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約25%。80 ℃水溫淬火后試樣表面殘余應(yīng)力顯著降低，σx約為25 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約85%；σy約為70 MPa，與20 ℃淬火試樣相比降低約70%。

圖3 試樣沿長(zhǎng)度方向表面中心線殘余應(yīng)力測(cè)試曲線

為分析水溫對(duì)試樣淬火殘余應(yīng)力的影響，對(duì)不同水溫淬火時(shí)試樣芯部的溫度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，試樣在淬火入水10 s內(nèi)，溫度降低較快，15 s以后，溫度趨于平穩(wěn)。20 ℃水溫淬火的溫度降低較快，40 ℃和60 ℃水溫淬火時(shí)溫度降幅相當(dāng)，而80 ℃水溫淬火時(shí)的溫度降低較慢。根據(jù)圖4的淬火過程冷卻曲線，使用反傳熱法計(jì)算得到的試樣與水的對(duì)流換熱系數(shù)如圖5a所示。對(duì)圖4冷卻曲線求導(dǎo)得到的冷卻速度曲線如圖5b所示。由圖5a可見，隨著淬火水溫的升高，對(duì)流換熱系數(shù)降低，且換熱系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的溫度下降。從圖5b可以看出，20 ℃水溫淬火對(duì)應(yīng)的冷卻速度大于其余三個(gè)溫度的，40 ℃和60 ℃水溫淬火的冷卻速度相當(dāng)，80 ℃水溫淬火的冷卻速度則明顯降低。從不同水溫淬火過程中的冷卻速度可以看出，隨著淬火水溫的降低，冷卻速度增大，殘余應(yīng)力增加，但水溫40 ℃～60 ℃時(shí)，水溫變化對(duì)冷卻速度影響不明顯。

圖4 試樣淬火冷卻曲線

圖5 淬火過程對(duì)流換熱系數(shù)和冷卻速度

7050鋁合金淬火臨界溫度區(qū)間為195 ℃～395 ℃，在該溫度區(qū)間，冷卻速度低，難以獲得理想的固溶效果[10]。從淬火冷卻速度來看，淬火水溫應(yīng)控制在60 ℃以下。

2.2 淬火水溫對(duì)冷壓殘余應(yīng)力的影響

20 ℃淬火后，不同冷壓變形量的試樣在時(shí)效后表面中心點(diǎn)殘余應(yīng)力值如表2所示。固溶淬火態(tài)試樣表面中心點(diǎn)長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力σx和寬度方向殘余應(yīng)力σy，經(jīng)過1%～4%的冷壓變形后，分別降低30%～58%和46%～67%。時(shí)效處理后，試樣殘余應(yīng)力進(jìn)一步減小，與淬火態(tài)相比，σx降低46%～73%，σy降低50%～85%。從冷壓變形試樣時(shí)效后的殘余應(yīng)力結(jié)果可以看出，冷壓變形量3%時(shí)，兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力消減效果均較好。

60 ℃水溫淬火后，不同冷壓變形量試樣在時(shí)效后表面中心點(diǎn)殘余應(yīng)力如表3所示。固溶淬火后，試樣表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，試樣經(jīng)1%～4%的冷壓變形處理后，σx仍為壓應(yīng)力，與淬火態(tài)相比殘余應(yīng)力并沒有得到消減，反而出現(xiàn)增大現(xiàn)象；σy也為壓應(yīng)力，除變形量為3%試樣外，冷壓后σy也出現(xiàn)了殘余應(yīng)力增大現(xiàn)象。試樣時(shí)效處理后，殘余應(yīng)力較冷壓態(tài)均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；與淬火態(tài)相比，σx均出現(xiàn)了增大現(xiàn)象(消減率為負(fù))。在冷變形量為3%時(shí)，σx增加最少，σy的消減效果最好。

從表2和表3所示的水溫20 ℃和60 ℃淬火試樣冷壓、時(shí)效過程中殘余應(yīng)力變化情況可以看出，在常溫20 ℃水溫淬火試樣，淬火態(tài)殘余應(yīng)力較大，經(jīng)過冷壓后，殘余應(yīng)力消減效果較好。而經(jīng)過60 ℃水溫淬火后，試樣殘余應(yīng)力較低，但經(jīng)過冷壓變形后，大部分試樣殘余應(yīng)力消減效果不明顯，甚至出現(xiàn)殘余應(yīng)力增大現(xiàn)象。雖然兩種水溫淬火試樣在冷壓3%、時(shí)效后的殘余應(yīng)力均較低，但低水溫淬火試樣冷壓、時(shí)效后，殘余應(yīng)力消減效果更為穩(wěn)定。

表2 20 ℃水溫淬火試樣冷壓、時(shí)效后殘余應(yīng)力變化

表3 60 ℃水溫淬火試樣冷壓、時(shí)效后殘余應(yīng)力變化

在20 ℃、60 ℃兩水溫淬火后，冷壓變形對(duì)試樣殘余應(yīng)力的影響規(guī)律不同，這主要受冷壓消減殘余應(yīng)力機(jī)制的影響。冷壓過程中，殘余應(yīng)力的消減程度受材料屈服強(qiáng)度、接觸面摩擦因數(shù)等影響較顯著。20 ℃、60 ℃水溫淬火后，7050鋁合金的壓縮屈服強(qiáng)度分別為208 MPa、251 MPa，且隨著淬火水溫的升高，室溫停放達(dá)到屈服強(qiáng)度最大值的時(shí)間更短。而材料屈服強(qiáng)度越高，冷壓過程中殘余應(yīng)力消減幅度越小，冷壓塑性變形所需壓力越大[11]。在60 ℃較高水溫淬火時(shí)，試樣殘余應(yīng)力較低，而屈服強(qiáng)度高，冷壓過程中的塑性變形不均勻，造成殘余應(yīng)力重新分布，反而導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。

2.3 淬火水溫及冷變形對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

表4為20 ℃和60 ℃水溫淬火試樣經(jīng)冷壓、121 ℃6 h+177 ℃7 h雙級(jí)時(shí)效后的力學(xué)性能。

表4 淬火水溫及冷變形對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

從表4可以看出，冷變形量為1%～4%時(shí)，冷壓變形試樣時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于直接時(shí)效試樣的，且隨著變形量的增加，試樣時(shí)效后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。隨冷壓變形量的增加，20 ℃水溫淬火試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度波動(dòng)相對(duì)較小，分別為18 MPa和16 MPa；而60 ℃水溫淬火試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度波動(dòng)相對(duì)較大，分別為26 MPa和28 MPa。另外，從表2和表4可以看出，20 ℃水溫淬火試樣經(jīng)2%～3%冷壓變形后的殘余應(yīng)力消減效果較好，但屈服強(qiáng)度降低約8%。

3 結(jié) 論

1)試樣20 ℃～80 ℃水冷淬火后，表面應(yīng)力均為壓應(yīng)力，隨著淬火水溫的升高，表面殘余應(yīng)力降低。

2)較低水溫淬火后，7050鋁合金淬火殘余應(yīng)力大，但屈服強(qiáng)度低，2%～3%冷壓變形量對(duì)殘余應(yīng)力消減效果較好；淬火水溫較高時(shí)，淬火殘余應(yīng)力較小，但屈服強(qiáng)度較高，冷壓變形消減殘余應(yīng)力的效果較差，甚至出現(xiàn)殘余應(yīng)力增大的現(xiàn)象。

3)淬火后1%～4%的冷壓條件下，隨著變形量的增加，合金在時(shí)效后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度呈先減小后增大的趨勢(shì)。