预拉伸对7075铝合金中厚板几何精度和力学性能的影响

2019-12-30陈昭郑英朱晨王建辉杨冠恒林高用

有色金属科学与工程 2019年6期

陈昭，郑英,2，朱晨，王建辉，杨冠恒，林高用

（1.中南大学材料科学与工程学院有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，长沙410083；2.湖南耐特材料科技有限公司，长沙 410600）

7075铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金[1-6]，是一种典型的可热处理强化型合金，峰值时效状态下其屈服强度可达500 MPa，具有高的比强度和比刚度、良好的断裂韧性和成形性能，被广泛应用于航空航天零部件的制造[7-18]，如制造各种飞机机身、机翼梁、机舱壁板、飞机和火箭中高强度结构零件，是世界各国航空航天工业中不可缺少的重要材料.

在铝及铝合金板带材生产中，按产品厚度分类，可分为超厚板、厚板、中厚板、薄板、特薄板及铝箔.随着工业轻量化技术的发展，铝合金中厚板的应用范围越来越广泛，大至航空航天、船舶和汽车的零部件制造，小至衣物上的纽扣和拉链生产.7075铝合金中厚板的一般加工工艺为：熔炼→铸造→均匀化→热轧→冷轧→固溶→淬火→预拉伸→锯切→时效→精整→切割加工.

经过淬火并时效后7075铝合金板材才能获得较高的强度性能，但是淬火过程的剧烈冷却通常会使板材中产生较高的残余内应力，尤其是对于厚板和超厚板，因温度梯度大而更容易产生明显的淬火残余应力.这种残余内应力严重影响板材的力学性能、耐腐蚀性能和尺寸精度[16]，使板材后续机械加工时因应力释放而出现弯扭翘曲变形，无法满足用户要求.实际生产中通常采用预拉伸方法来消除或降低厚板的淬火残余内应力.在固溶和淬火之后、时效之前对板材进行一定程度的预拉伸，使之回弹后产生1%～3%的纵向永久塑性变形，板材中原有的内拉外压的淬火残余内应力状态与预拉伸产生的纵向拉应力状态相互抵消、叠加，使板材中的内应力得以重新分布，内应力绝对值显著减小.已有的预拉伸研究主要针对厚度大于10 mm的铝合金厚板和超厚板[19-20]，对厚度小于10 mm的7075铝合金中厚板预拉伸的研究极少；已有报道主要是研究预拉伸对板材的残余应力的影响[20-21]，但实际上预拉伸对板材的尺寸精度和最终性能也将产生显著影响，但这方面的研究极少.文中以厚度为6 mm的7075铝合金中厚板为对象，开展预拉伸对板材几何精度和力学性能的影响研究，建立预拉伸工艺与板材几何尺寸和力学性能的关系模型，旨在为高性能、低应力中厚板生产提供科学依据.

1 实验流程

实验所用厚度为6 mm的7075铝合金中厚板来源于国内某企业，实验板材的宽度根据实际生产规格按1∶40比例缩小，长度按照GB/T 228—2002计算得出，值均为230 mm.为了研究不同宽度对预拉伸的影响，实验设计了3个宽度的矩形板材，其宽厚比分别为4、5、6.首先对板材试样进行固溶处理，在电阻箱式加热炉中升温，固溶温度470℃，保温时间1 h；保温到预期时间后出炉迅速置于室温水中淬火，冷却至室温取出.

板材试样淬火后进行预拉伸.为了使板材纵向两端预拉伸时夹持位置对称，在试样上事先画上标注线，并画好标距，长度为150 mm.预拉伸是一个弹塑性变形过程，拉伸过程中的每个瞬间的总变形量为预拉伸变形量，预拉伸量与标距的比值为预拉伸变形率.卸载后弹性变形恢复，塑性变形保留，纵向残留的塑性变形量即为纵向永久变形量，纵向永久变形量与标距的比值称为纵向永久变形率.为了获得板材力学性能最优时对应的纵向永久变形率，实验对每一规格的板材设置了若干预拉伸变形率，预拉伸变形率在5%～9%之间变化.实验方案如表1所列.

表1 预拉伸实验方案设计Table 1 Experimental design of pre-stretching

预拉伸在DWD100电子万能试验机上进行，使用平口夹头夹持.参照实际生产参数，设定预拉伸速度为5 mm/min.精确测量预拉伸前和预拉伸卸载后板材试样标距范围的三向尺寸并记录.预拉伸设备如图1所示.

图1 预拉伸试验设备Fig.1 Pre-tensioning test equipment

试样经过预拉伸后，对其进行人工时效处理，时效温度为120℃，保温时间16 h，空冷至室温.利用线切割的方法将时效后的板材加工成标准拉伸样，在液压伺服动态试验系统Instron3369力学试验机上测量试样的室温力学性能，拉伸速度为1 mm/min.

2 结果与讨论

2.1 预拉伸对纵向永久变形率的影响

测量预拉伸前和预拉伸卸载后板材试样标距范围的纵向尺寸，再换算成预拉伸变形率和纵向永久变形率，所得数据如表2所列；将数据导入Origin软件绘制成曲线，如图2所示.

表2 预拉伸变形率与纵向永久变形率数据Table 2 Date of pre-tension deformation rate and longitudinal permanent deformation rate

图2 预拉伸变形率与纵向永久变形率曲线Fig.2 Curve of pre-tension deformation rate and longitudinal permanent deformation rate

图 2 中的（a）、（b）、（c）分别代表宽厚比为 4、5、6的板材预拉伸变形率与纵向永久变形率的一元拟合曲线，以预拉伸变形率为横坐标，纵向永久变形率为纵坐标拟合而成.从图2可以明显看出，回弹后的纵向永久变形率随着预拉伸变形率的增加而增加.对比可知，当预拉伸变形率为5%时，宽厚比为4的板材的纵向永久变形率＞1.0%，宽厚比为5的板材的纵向永久变形率0.75%～1.00%，而宽厚比为6的板材的纵向永久变形率最小，其值在0.50%～0.75%之间变化.由此可得出结论，当板材的厚度和预拉伸变形率不变时，随着板材宽度的增大，其纵向永久变形率减小.这种“宽度效应”的影响在铝合金预拉伸过程中普遍存在，其机理有待深入研究.

根据企业实际需求，为了获得低应力高性能的中厚板，应将纵向永久变形率控制在2.0%～2.5%之间.由图2曲线可知，当板材宽厚比为4时，纵向永久变形率为2.0%～2.5%对应的预拉伸变形率约为6.6%～7.4%；板材宽厚比为5时，纵向永久变形率为2.0%～2.5%对应的预拉伸变形率约为7.2%～8.1%；板材宽厚比为6时，纵向永久变形率为2.0%～2.5%对应的预拉伸变形率约为7.8%～8.6%.上述数据可以为工程实际预拉伸变形量的选择提供依据.

为了量化表征预拉伸及板材宽厚比对回弹后的纵向永久塑性变形率的影响，对表2和图2中的检测数据进行一元拟合，建立拟合方程如表3所列.表3拟合方程中的x为板材的预拉伸变形率（未回弹），y为板材预拉伸卸载回弹后的纵向永久变形率.其中，R值称为相关系数，用于衡量曲线与点的拟合程度，R值的变化范围在0～1之间.数值越接近1表示拟合程度越高，反之则拟合程度差.从表3中可以看出，R值均在0.9左右，表明一元拟合程度较优.一元拟合方程普适性不强，为此本实验利用Matlab软件中的三维拟合功能，将宽厚比a的值作为一个参数归入方程中，拟合得到了表3中的二元拟合方程.

表3 预拉伸变形率与纵向永久变形率方程Table 3 Equation of pre-tension deformation rate and longitudinal permanent deformation rate equation

2.2 预拉伸对厚向永久变形率的影响

测量预拉伸前和预拉伸卸载后板材试样厚向与宽向尺寸，再换算成预拉伸变形率和厚向、宽向永久变形率，数据列表如表4所列；将数据导入Origin软件拟合成曲线，如图3所示.

表4 预拉伸变形率与厚向及宽向永久变形率数据Table 4 Data of pre-tension deformation rate and thickness and widthness permanent deformation rate

图3 预拉伸变形率与厚向永久变形率曲线Fig.3 Curve of pre-tension deformation rate and thickness direction permanent deformation rate

从表4中可以看出，在预拉伸过程中，厚向永久变形率和宽向永久变形率均为负值，且由于宽向的永久变形率相对很小，可以忽略不计，所以未对其数据进行曲线拟合.图 3 中的（a）、（b）、（c）分别代表宽厚比为4、5、6的板材预拉伸变形率与厚向永久变形率的一元拟合曲线，以预拉伸变形率为横坐标，厚向永久变形率为纵坐标拟合而成.从曲线可以明显看出，回弹后的厚向永久变形率随着预拉伸变形率的增加而降低.对比可知，当预拉伸变形率为5%时，宽厚比为4的板材的厚向永久变形率＜-0.5%，宽厚比为5的板材的厚向永久变形率-0.50%～-0.25%，而宽厚比为6的板材的厚向永久变形率最小，其值＞-0.25%.由上可得出结论，当板材的厚度和预拉伸变形率不变时，随着宽度的增大，板材的厚向永久变形率的绝对值减小.

为了满足尺寸精度的要求，厚向尺寸的变化必须控制在±0.12 mm，即厚向永久变形率应控制在±2%.由图3可知，当板材宽厚比为4时，厚向永久变形率为±2%对应的预拉伸变形率约＜9.2%；板材宽厚比为5时，厚向永久变形率为±2%对应的预拉伸变形率约＜8.9%；板材宽厚比为6时，本实验所设置的预拉伸变形率均满足厚向永久变形率在±2%的要求.结合2.1节中对纵向永久变形率的要求，为了获得纵向永久变形率在2.0%～2.5%且厚向尺寸精度满足上述要求的板材，只需满足纵向永久变形率在2.0%～2.5%对应的之间的预拉伸变形率即可，即板材宽厚比为4时预拉伸变形率约为6.6%～7.4%；板材宽厚比为5时预拉伸变形率约为7.2%～8.1%；板材宽厚比为6时预拉伸变形率约为7.8%～8.6%.

表5所列为拟合曲线对应的方程，此处不对其进行二元拟合,从R值可知，曲线拟合较好.

表5 预拉伸变形率与厚向永久变形率方程Table 5 Equation of pre-tension deformation rate and thickness permanent deformation rate equation

2.3 纵向永久拉伸率对力学性能的影响

对预拉伸板进行人工时效后，将板材加工成标准试样进行室温拉伸试验，将测定的力学性能数据导入Origin软件拟合出曲线并建立纵向永久变形率对7075铝合金中厚板力学性能的关系方程.其结果见图 4、表 6.

图 4 中的（a）、（b）、（c）分别是宽厚比为 4、5、6板材的力学性能与纵向永久变形率的关系曲线.图4中力学性能仅列出了屈服强度与抗拉强度随纵向永久变形率的变化，并未列出延伸率的变化.这是因为延伸率与纵向永久变形率无明显的变化规律，此现象尚有待进一步研究，在此不做深入探讨.图4的曲线以纵向永久变形率为横坐标，屈服强度和抗拉强度为纵坐标绘制而成.从曲线的变化规律可以看出，随着纵向永久变形率的增大，屈服强度和抗拉强度总体呈现先增大到某一最大值后再减小，并且其中宽厚比为5的试样的屈服强度变化表现为开口向下的抛物线的趋势.这与朱彤[22]在其文章预拉伸对新淬火态2A12硬铝合金残余应力和力学性能的影响和方杰[23]的预拉伸变形对2219铝合金环形件组织与力学性能的影响规律基本一致.其可能的原因是，7075铝合金板材进行预拉伸实验，板材产生一定量的塑性变形和应变强化，其内部位错密度增加，促进时效过程中的强化相弥散析出，因此屈服强度和抗拉强度也有所提高，在一定程度内屈服强度和抗拉强度都随着纵向永久变形率的增大而增大.当预拉伸量较大，板材产生较大的塑性变形，位错密度的增大不仅促进了强化相的析出，同时也促进了这些强化相的长大和聚集，因此，经过预期时效处理后发生一定程度的过时效，所以强度性能稍有降低.由图4可以明显的看出，3个宽厚比的板材力学性能取得最大值的纵向永久变形率均在2.0%～2.5%之间.因此，实际生产中预拉伸变形量应控制在合适范围，使板材纵向永久变形率稳定控制在2.0%～2.5%之间.

为了量化表征纵向永久变形率及板材宽厚比对时效后的强度性能的影响，对表6中的数据进行一元拟合，建立拟合方程如表7所列.表7拟合方程中的x为板材的纵向永久变形率，y为板材的强度性能.利用Matlab软件中的三维拟合功能，将宽厚比a的值作为一个参数归入方程中，拟合得到了表7中的二元拟合方程.