冷变形对7075锻件淬火残余应力及性能的影响

2021-11-12黄定辉杨恩超洪鑫高俊龙无锡透平叶片有限公司

锻造与冲压 2021年21期

文/黄定辉，杨恩超，洪鑫，高俊龙·无锡透平叶片有限公司

7075锻件经固溶后进行了不同变形量的冷锻变形，再对不同冷锻变形后的试验块进行相同时效热处理，研究不同冷锻变形量下锻件的残余应力分布、电导率变化及室温拉伸性能变化规律，结果表明：7075-T7352状态锻件冷锻变形量控制在1%～3.75%时，能获得较优的消除锻件淬火残余应力的效果，冷锻变形量超过3.75%会产生相反方向的残余应力累积；7075-T7352状态锻件冷锻变形量在5%以内时，锻件对应电导率和室温拉伸性能的抗拉强度、延伸率无明显变化，而屈服强度有所降低。

7075合金是Al-Zn-Mg-Cu系可热处理强化的高强度变形铝合金，因其具有较高的比强度、较好的热加工性能及可焊性等优点而被广泛应用，目前已用于减轻武器装备及大型压力容器等承力结构件的重量，特别在航空航天武器装备领域，其高技术化、智能化、一体化趋势明显，零件结构上也尽可能多地采用了整体结构设计，如机翼、机身整体大梁、整体加强框、整体油箱等。但零件结构一体化的过程中，零件加工和使用时发生变形的问题，成为了其发展的主要制约，国际上对结构零件加工变形的研究还在进行，各国研究均指出残余应力是加工或使用过程变形的首要因素。而对于铝合金锻件毛坯来说，其经过热成形后，固溶会消除其锻造残余应力，但固溶后淬火的冷却过程会产生内应力，经切削等加工后内应力重新分布会引起变形，文献对锻件的热加工过程引起的应力分布及应力的释放方法有较多的报道，但是对于释放应力后的锻件力学性能方面的报道较少，工程应用可借鉴资料也较为匮乏。

AMS 4147中对7075-T7352状态锻件进行了规定，规定锻件固溶后冷变形的变形量范围为1%～5%，而模锻件淬火后本身已存在较大的残余应力，冷变形量过大会引起冷作硬化、裂纹或断裂，而变形过小则使应力消除效果不佳，因此如何根据具体产品制定精确的冷变形变形量成为此类模锻件能否减少残余应力并获得较优性能的关键。鉴于此，本试验选取7075模锻叶片试块，在规范规定的冷变形变形量范围(1%～5%)内，进行不同冷变形量的试验，旨在研究不同冷变形变形量对7075铝合金模锻件的残余应力和性能的影响规律，为工程化生产选取较佳的冷变形工艺提供数据支撑。

试验材料与试验方法

7075模锻件结构较为复杂，直接用模锻件进行研究势必造成不必要的浪费，因此本文试验材料取自叶片模锻件的叶根部位，整个叶片经过477℃×400min，水冷的固溶热处理，试验材料形状为圆柱体，规格为φ(35±0.1)mm×(80±0.1)mm，试验材料机加工成图1状态。试料编号分别为0-1、0-2、1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2，圆柱体试验材料两端面位于叶片模锻件的两表面位置附近，具体试验材料切取位置示意图见图2。

图1 试验材料加工及规格示意图

图2 试验材料切取示意图

对所有试验材料切取后，对1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2试样进行冷锻，最后对所有试样进行时效处理，时效制度为107℃×630min随炉升温至177℃×450min，空冷。

切取的每个试验材料编号按表1参数进行不同变形量的冷变形，试验设备为J58K-1000电动螺旋压力机，试验时采用碰模板来控制试验块高度，以保证变形量，锤击一次到位，打击能量为8%。经过冷变形后的试验材料分别进行了圆周面残余应力测试、电导率测试和室温拉伸性能测试。

表1 试验材料编号与冷变形量的对应关系表

试验结果与分析

冷锻变形量对7075铝合金锻件残余应力的影响

不同冷锻变形量对应的各部位的纵向残余应力检测结果见表2，其中正值代表残余拉应力，负值代表残余压应力。

表2 不同冷变形量下试验材料不同部位纵向残余应力的测试结果

从数据结果上看，未经过冷锻变形的试验材料其残余应力分布是表面残余压应力，心部残余拉应力，这是因为淬火冷却初期锻件与介质温度差大，表层冷却速度比心部快，表层冷却收缩大于心部，造成表面承受压应力，随着表面与心部之间温差增加，心部的冷却速度开始高于表面冷速，心部收缩大于表面，造成心部承受拉应力。

经过冷锻变形的试验材料各部位的残余应力分布与未经过冷锻变形的试验材料相比，有较为明显的变化，特别冷锻变形量从0%增大到2.5%的过程中，靠近锻件表面位置的纵向残余应力由残余压应力转变为残余拉应力，靠近锻件心部位置的纵向残余应力仍为残余压应力，但残余压应力值出现逐步减少的现象。当冷锻变形量超过3.75%时，近锻件表面位置和心部位置的残余应力值均出现一定程度的提高。

这是因为冷锻时施加的外力叠加原有残余应力后，使整个工件产生了一定的塑性变形，破坏了应力系统且改变了工件内的应力状态，具体为在冷锻的过程中，试验材料心部材料最先发生塑性变形，心部原本存在的残余拉应力受到相反的压应力作用，残余拉应力值会减少；而心部塑性变形的材料向两侧流动，靠近上下表面的材料会来补充心部材料的流动，这便在上下面的材料上形成拉应力作用，该力与原本存在的残余压应力作用方向相反，引起残余压应力值的减小，随着塑性变形的进一步进行，当冷锻塑性变形产生的拉应力与原本存在的残余压应力完全抵消后，其残余拉应力会变得越来越大。因此消除残余应力效果较好的冷变形要在不大于3.75%的范围内选取。

冷锻变形量对7075铝合金锻件电导率及拉伸性能的影响

不同冷锻变形量对应的各部位的电导率检测结果及室温拉伸性能结果见表3，从检测数据上来看，经过冷锻变形的试验材料其各部位电导率值较未经冷锻变形的试验材料基本未产生明显变化，其抗拉强度略有下降，延伸率无明显变化，而屈服强度下降更为明显，电导率与对应的室温拉伸性能数据上有一定对应关系。经冷锻和未经冷锻的试验材料的室温拉伸性能的结果与AMS4147和AMS4141标准中的对应验收要求的趋势一致，其抗拉强度基本不变，但屈服强度因冷锻变形而有所下降，两个标准中对性能要求的对比见表4。

表3 不同冷变形量下试验材料不同部位电导率的测试结果

表4 AMS4147和AMS4141两种规范下锻件室温拉伸性能的验收要求对比

冷锻后锻件屈服强度会有明显降低的原因可能是冷锻施加的外力使锻件发生塑性变形，原有残余应力状态在此过程中发生了系统性改变，使得原本存在一定残余应力状态的锻件经应力释放后处于无应力状态或低应力状态，位错塞积和晶格畸变量程度还相对较小，按此推测，若冷锻变形量加大到一定程度，超过了相应应力释放的程度，锻件的残余应力将朝着另一个方向累积，位错塞积和晶格畸变量剧增，冷作硬化作用明显，其屈服强度将会不再降低反而升高，甚至可能出现开裂等问题，本试验中当冷锻变形量达到5%时，其屈服强度已出现不降反升的现象，对该现象更深入的解释还需继续开展进一步的试验和研究工作。