朱 彤,吳建軍,郭錫明,靳 力

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

預(yù)拉伸對(duì)新淬火態(tài)2A12硬鋁合金殘余應(yīng)力和力學(xué)性能的影響

朱 彤1,吳建軍1,郭錫明2,靳 力1

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072；2.西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

對(duì)新淬火態(tài)2A12硬鋁合金不同預(yù)拉伸量下的殘余應(yīng)力和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得到了取得最小殘余應(yīng)力值的預(yù)拉伸量，分析了新淬火態(tài)鋁合金薄板表面殘余應(yīng)力的方向問(wèn)題，并對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在不同拉伸量下的分布規(guī)律作了探討。

機(jī)械制造；材料試驗(yàn)；2A12硬鋁合金；預(yù)拉伸；殘余應(yīng)力；力學(xué)性能

1 引言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新一代的飛機(jī)對(duì)輕量化和整體化提出了更高的要求，越來(lái)越多的飛機(jī)零件尺寸變得越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。同時(shí)為了滿足重量的要求，越來(lái)越多的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中。其中2A12鋁合金是Al-Cu-Mg系高強(qiáng)硬鋁合金，具有良好的成形能力和機(jī)械加工性能[1]，是制作飛機(jī)金屬蜂窩面板的首選材料。

硬鋁合金在成形和熱處理過(guò)程中，其內(nèi)部不可避免地引入殘余應(yīng)力。為了降低毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力引起的加工變形，必須設(shè)法抑制與消除鋁合金板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力。預(yù)拉伸消除殘余應(yīng)力的方法是將淬火后的板材在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行一定量的永久拉伸塑性變形，通過(guò)彈性變形向塑性變形的過(guò)渡來(lái)消除殘余應(yīng)力。采用預(yù)拉伸法不但可以保持熱處理強(qiáng)化合金所具有的高強(qiáng)度性能，還能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的加工和機(jī)械性能[2][3]。因此，研究預(yù)拉伸消除殘余應(yīng)力有著重要意義。

本文通過(guò)對(duì)新淬火態(tài)2A12硬鋁合金在不同預(yù)拉伸量下的試驗(yàn)，研究了其對(duì)殘余應(yīng)力和力學(xué)性能的影響，并對(duì)結(jié)果規(guī)律進(jìn)行了探討。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料與試件

選用厚度為0.5mm的退火態(tài)2A12鋁合金薄板，其化學(xué)成分如表1所示。在2A12板材上切取預(yù)拉伸試件，尺寸為252mm×50mm×0.5mm的條塊。并按照GB/T228－2002[4]，切割單拉試件，并規(guī)定單拉試件平行于長(zhǎng)度的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向。

表1 2A12的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

參照YS/T591－2006的規(guī)定[5]，用箱式淬火爐進(jìn)行淬火處理，在水中冷透后立即擦干放入－20℃的冰柜中，在隨后的試驗(yàn)中采用裝有科技冰的醫(yī)藥保溫箱進(jìn)行運(yùn)輸。力學(xué)性能測(cè)試和預(yù)拉伸在10t的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，殘余應(yīng)力在Xpert pro粉末衍射儀上測(cè)量。

2.3 試驗(yàn)方法

將所有試件進(jìn)行淬火處理，固溶溫度497℃，保溫時(shí)間30min，轉(zhuǎn)移時(shí)間3s，淬火水溫20℃。淬火后立即擦干放入冰柜中。

（1）將 252mm×50mm×0.5mm的條塊試件用重物壓住試件兩端，使用高度尺測(cè)量翹曲鼓包高度，其測(cè)量精度達(dá)到0.02mm，并標(biāo)出鼓包位置。進(jìn)行預(yù)拉伸實(shí)驗(yàn)，預(yù)拉伸量從1%～5%，由于板料長(zhǎng)度較長(zhǎng)，寬度較短，拉伸時(shí)可視為單向拉伸，寬度方向收縮忽略。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 2A12硬鋁合金板料的鼓包高度及個(gè)數(shù)

（2）將單拉試件按照預(yù)拉伸量為0%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%進(jìn)行試驗(yàn)，并將不同拉伸量下的試件進(jìn)行殘余應(yīng)力和力學(xué)性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1、圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從表2中可以看出，當(dāng)預(yù)拉伸量為2%時(shí)，2A12鋁合金板料的鼓包高度最低，數(shù)量最少，效果最佳。

表3 2A12硬鋁合金的殘余應(yīng)力與力學(xué)性能

圖1所示為殘余應(yīng)力與新淬火態(tài)2A12硬鋁合金薄板經(jīng)預(yù)拉伸量分別為0%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%處理后的關(guān)系。圖中可見殘余應(yīng)力在未經(jīng)預(yù)拉伸和拉伸量為1.5%時(shí)為拉應(yīng)力，而在預(yù)拉伸量為2.1%、2.4%、2.7%、3.0%時(shí)為壓應(yīng)力。且在拉伸量為1.8%處由于應(yīng)力值過(guò)小而無(wú)法用XRD測(cè)出應(yīng)力值，這說(shuō)明在拉伸量為1.8%附近殘余應(yīng)力值接近于零。這與表2中所得在預(yù)拉伸量2%左右殘余應(yīng)力最小相符。

此外，薄板在未預(yù)拉伸和預(yù)拉伸初始階段表面殘余應(yīng)力成拉應(yīng)力狀態(tài)，這與一般淬火態(tài)鋁合金厚板殘余應(yīng)力程“外壓內(nèi)拉”的規(guī)律相反。這是因?yàn)榇慊痖_始瞬間，板料表層相對(duì)芯部溫度要高，冷卻速度要大，于是表層相對(duì)芯部收縮，受到拉應(yīng)力，相應(yīng)的芯部受到反方向的壓應(yīng)力。當(dāng)表層已經(jīng)冷卻而芯部尚未冷卻時(shí)，由于此時(shí)芯部屈服強(qiáng)度低于表層，更易于變形，故一般厚板的芯部在冷卻時(shí)收縮量要大于表面，最終會(huì)受到外表面約束呈現(xiàn)拉應(yīng)力，同時(shí)表層卻呈現(xiàn)壓應(yīng)力[6]。而本文所采用的板料極薄，只有0.5mm，淬火時(shí)溫度梯度很小，其所提供的能量無(wú)法使芯部冷卻時(shí)所受壓應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度，因此薄板表面殘余應(yīng)力仍呈拉應(yīng)力狀態(tài)。

在預(yù)拉伸過(guò)程中，由于薄板表層原先就具有拉應(yīng)力，其比芯部更早進(jìn)入塑性變形階段，變形速度也快于芯部，這使得薄板內(nèi)外層產(chǎn)生與新淬火態(tài)相反的附加應(yīng)力狀態(tài)。去除外力后，板材彈性應(yīng)變松弛，應(yīng)力被釋放。當(dāng)拉伸量為1.8%附近時(shí)，殘余應(yīng)力接近0MPa，當(dāng)拉伸量更大時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生新的反向殘余應(yīng)力，這就是為什么預(yù)拉伸量超過(guò)1.8%后殘余應(yīng)力反向增大的原因[7]。

圖2為不同預(yù)拉伸量與新淬火態(tài)2A12硬鋁合金力學(xué)性能的關(guān)系。圖中可見新淬火態(tài)鋁合金薄板隨著預(yù)拉伸量的增加，屈服強(qiáng)度值也相應(yīng)增加。這是因?yàn)轭A(yù)拉伸在鋁合金中引入大量位錯(cuò)，而一方面GP區(qū)等析出相周圍基體相中的彈性應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，另一方面當(dāng)位錯(cuò)切過(guò)GP區(qū)時(shí)發(fā)生化學(xué)強(qiáng)化，兩者共同作用提高了鋁合金的屈服強(qiáng)度[8]。從圖中還可以看到抗拉強(qiáng)度在預(yù)拉伸量0%～1.5%間也隨著拉伸量的增大而增大，但在預(yù)拉伸量1.5%～3.0%間變化不大，且有略微下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)預(yù)拉伸量增大到某一值時(shí)，其變形量足夠?qū)е翯P區(qū)與基體相之間產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變可以誘發(fā)回復(fù)和再結(jié)晶，而鋁合金的硬度也會(huì)隨之降低[8]。這些對(duì)彈性應(yīng)力場(chǎng)和化學(xué)強(qiáng)化引起的強(qiáng)度隨預(yù)拉伸量升高的現(xiàn)象起著相反作用，故抗拉強(qiáng)度在預(yù)拉伸1.5%后不再隨拉伸量的增大而增大。4 結(jié)論

（1）新淬火態(tài)2A12鋁合金薄板在預(yù)拉伸量為1.8%附近時(shí)有殘余應(yīng)力最小值，此時(shí)取得預(yù)拉伸效果最佳。

（2）由于鋁合金薄板厚度方向上溫度梯度極小，淬火時(shí)芯部變形有限，故未經(jīng)預(yù)拉伸薄板表面殘余應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)。

（3）新淬火態(tài)2A12鋁合金薄板由于彈性應(yīng)力場(chǎng)和化學(xué)強(qiáng)化的作用，以及回復(fù)和再結(jié)晶的反作用使得抗拉強(qiáng)度在預(yù)拉伸量為1.5%時(shí)達(dá)到最大值。

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[5] 全國(guó)有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).YS/T591－2006變形鋁及鋁合金熱處理規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1－19.

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[8] 劉云旭.金屬熱處理原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981：266－281.

Influence of pre-stretching on residual stresses and mechanical properties of 2A12 as-quenched duralumin

ZHU Tong1,WU Jianjun1,GUO Ximing2,JIN Li1
（1.School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China;2.Xi'an Aircraft Industry(Group)Co.,Ltd.,Xi'an 710089,Shanxi China）

The residual stresses and mechanical properties of 2A12 as－quenched duralumin under different conditions of pre－stretching have been studied.And the optimal pre－stretching for minimum residual stresses has been obtained in the experiment.The orientation problem of residual stresses in 2A12 as－quenched duralumin plate has been analyzed,and the rules of yield strength and tensile strength under different conditions of pre－stretching have been discussed.

New quenching state;Pre－stretching;Residual stresses;Mechanical properties

TG156.94

A

1672－0121（2012）02－0091－03

國(guó)家自然科學(xué)基金（基金號(hào)51075332）

2011-12-05

朱 彤（1987-），男，碩士在讀，主攻計(jì)算機(jī)輔助成形與仿真技術(shù)