7050铝合金残余应力冷变形消减工艺仿真研究

王 浩，肖纳敏，李惠曲，沙爱学

(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

7×××系铝合金是目前航空航天领域中应用广泛的一类高强高韧铝合金，其构件通常需要经过开坯锻造,以及固溶-淬火-时效热处理，以提高材料的强度、韧性、抗疲劳性能以及耐腐蚀性能等[1]。然而，固溶淬火后铝合金构件易产生较大的残余应力，尤其对于大型、整体、结构复杂的构件，其淬火残余应力非常大。构件在后续机械加工过程中，由于外界条件的改变，构件内部残余应力平衡状态被打破，残余应力被释放和重新分布，导致加工后的零部件在没有约束的条件下易产生严重的弯曲、扭转等变形现象[2-3]。除此之外，构件中淬火残余应力的存在还会降低材料的耐腐蚀、抗疲劳性能，导致构件在服役期间出现应力腐蚀开裂等问题，大大降低构件的使用寿命和安全性能。因此，如何有效预测、控制、消减铝合金构件中的残余应力是目前航空航天等领域中极为重要的研究方向[4-8]。

残余应力的产生、积累和消减是一个非常复杂的物理现象，受到热处理工艺、零件几何结构和材料特性等多方面因素的交互影响。对于复杂铝合金零件，通过实验“试错”的方法来探索残余应力分布规律将耗费大量的人力物力。数值模拟技术可以将工序间的变形、传热以及残余应力统一考虑，是优化与控制工艺参数的有效手段[9-11]。为了研究铝合金零件制造过程的残余应力分布规律以及冷变形对残余应力消减的控制规律，本文基于实测的7050铝合金热物性和力学性能参数，构建了高精度的热力耦合数值模型，分析残余应力在热处理及冷变形全过程的演化规律，为冷变形残余应力控制技术提供理论支撑。

1 实验材料与方法

仿真参数设置是保障仿真结果可靠性的重要环节。本部分研究重点针对7050铝合金的弹性常数、热导率、比热容、热膨胀系数、高温应力-应变曲线、等效界面换热系数等对传热与变形有重要影响的参数开展测试。测试材料采用锻前01状态的7050铝合金坯料。

1.1 7050铝合金热物性参数测试

热导率采用非稳态法测量，热扩散率采用激光脉冲法测量，利用待测样品与参考样品比较的方法测量试样的比热容。测试装置为美国Anter公司生产的Flashline-5000 Thermal Properties Analyzer。在此设备上可同时完成热扩散率、比热容、热导率的测试和计算。试验测得的不同温度下7050铝合金热扩散率、比热容和热导率如表1所示。

表1 不同温度下7050铝合金比热容、热导率与热扩散率

表2 不同温度下7050铝合金的弹性常数

热膨胀系数采用顶杆法测量，测试装置为美国Anter公司生产的UnithermTM-1252 Ultra High Temperature Dilatometer。测得的不同温度下7050铝合金的热膨胀系数如表3所示。

表3 不同温度下7050铝合金的热膨胀系数

1.2 7050铝合金高温应力-应变曲线测试及本构模型

图1 7050铝合金375 应力-应变曲线及温升曲线

模拟高温塑性成形最常用的模型是Sellars等[12]提出的双曲正弦表达式：

(1)

从式(1)可以看出，实际上Sellars模型中当应变速率和温度确定后，流变应力是一个定值，公式只描述了稳态阶段的屈服点，对材料的硬化、软化、回弹等过程均未给予描述。因此，本部分研究采用Hansel-Spittel热黏塑性流变应力模型描述材料的应力-应变本构关系。Hansel-Spittel模型的数学表达式如下：

(2)

(3)

在模型(3)里，主要需要确认A、m1、m2、m3、m4、m8等参数。通过将实验测得的应力应变曲线进行拟合，获得的7050铝合金本构模型参数如表4所示。

表4 7050铝合金Hansel-Spittel本构模型参数

1.3 界面换热系数

图2 反求获得的界面换热系数

2 结果与分析

2.1 7050铝合金试块淬火应力分析

2.2 7050铝合金试块冷压分析

图5 不同压下量冷压时试样长度方向主应力分布(60 淬火)

2.3 卸载对残余应力分布的影响

不同压下量卸载后高度方向的最大与最小主应力分布如图6所示。

图6 不同压下量卸载后试块中心截面主应力分布(60 淬火)

由图6可知：卸载回弹过程中，弹性变形的回复对残余应力影响很大。总的来看，压下量越小，则卸载回弹对冷压效果的影响越大。1%压下量下，卸载前心部为三向压应力状态；卸载后，压应力状态基本消失，心部基本呈现无应力状态。随着压下量的增加，其心部压应力值都有所减少，但仍然保持三向压应力状态。这主要是因为变形量越大，其塑性变形所占的比例也越大，所以卸载对应力的影响减弱。当变形量从3%增加到5%时，卸载对残余应力的影响相比变形是从1%到3%的变化逐渐降低。这主要是因为变形量越大，材料越容易进入屈服状态。一旦材料进入屈服状态，弹性卸载的影响就会降低。卸载回弹对表层的应力影响较为复杂，这可能与摩擦力对表层的影响较大有关。总的来看，卸载回弹会削弱冷压导致的压应力效果，变形量越大，其卸载回弹的影响越小。综合考虑内部应力消减效果的保持，3%是一个较理想的预变形量，仍然可以在卸载后保持一定程度的内部压应力。

3 结论

(2) 单轴平面压缩，可以改变心部的三向拉应力状态至三向压应力状态，压应力状态改变并不随压下量呈线性变化。当压下量超过3%时，压下量的增加对其心部压应力状态的改变幅度逐渐减弱。

(3) 卸载对冷变形的效果有明显影响，如果变形量不足以引起锻件大范围进入屈服状态，卸载将削弱冷变形导致的压应力效果。综合考虑，3%的预变形量可以保证锻件在卸载后仍然保持有效的应力消减效果。