門正興 陳曉雷 岳太文 馬亞鑫

(1.成都航空職業(yè)技術學院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林機械有限公司，河北051130)

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大型鋁合金模鍛件殘余應力控制

門正興1陳曉雷2岳太文1馬亞鑫1

(1.成都航空職業(yè)技術學院航空制造工程系， 四川610021；2.河北德林機械有限公司，河北051130)

殘余應力直接影響大型鋁合金模鍛件尺寸穩(wěn)定性、使用安全性、疲勞強度等參數，是大型鋁合金模鍛件精密成形的主要瓶頸之一。本文根據大型鋁合金模鍛件成形特點，從殘余應力對零件的主要影響、產生原因、測量及評價方法、消減方法等方面對大型鋁合金模鍛件殘余應力控制技術發(fā)展進行了分析總結。

鋁合金模鍛件；殘余應力；應力消減

飛機結構件整體化使得飛機機體重量大幅下降，零件數量大大減少，生產和裝配周期縮短，機身壽命和可靠性提高，成為飛機結構件設計的重要發(fā)展趨勢[1]。大型鋁合金模鍛具有材料利用率高、內部缺陷少、力學性能優(yōu)越等特點，是大型復雜飛機結構件生產的主要手段之一，但目前我國大型鋁合金精密模鍛成形的道路還任重道遠，主要的原因有：1)大型鋁合金模鍛件淬火殘余應力大，導致后續(xù)機械加工過程中發(fā)生大變形以及使用過程中的尺寸不穩(wěn)定，只有增大加工余量才能保證零件精加工要求；2)普通模鍛方法難以成形高筋薄壁類大型鍛件，必須加大鍛造工藝余量，使得成形載荷急劇增大。以上問題導致的最終結果是我國大型鋁合金模鍛件材料利用率低、成形載荷大、生產周期長。殘余應力分析及其消減技術的研究對大型零件模鍛精密成形至關重要，是我國高端制造業(yè)發(fā)展必須攻克的難關，成為航空整體結構件制造的一個重要研究課題。

1 大型鋁合金模鍛件殘余應力影響

(1)在后續(xù)的冷加工過程中，較大的殘余應力會導致大型鋁合金模鍛件由于去除部分的殘余應力釋放而變形嚴重，因此不得不增大加工余量并不斷校形[2]。

(2)冷加工完畢后的大型鋁合金模鍛件如果內部殘余應力較大，在放置過程或使用過程中會由于材料蠕變現象發(fā)生較大尺寸變化。

(3)鋁合金鍛件內部殘余應力與使用過程應力場疊加后使得零件實際應力增大的情況下，材料的疲勞壽命縮短，抗腐蝕性能明顯下降，嚴重的會導致零件在許用應力情況下發(fā)生應力開裂，零件可靠性下降。

(4)鋁合金鍛件內部殘余應力與使用過程應力場疊加后使得零件實際應力減小的情況下，材料的疲勞壽命、抗腐蝕性能、零件可靠性等參數都明顯提高。

2 大型鋁合金模鍛件殘余應力產生原因

普遍認為，零件內部產生殘余應力的根本原因是材料在變形或熱處理過程中所產生的部分彈性應變(稱為殘余彈性應變)無法恢復[3]。對于鋁合金材料來說，產生殘余應力的主要原因有：1)不均勻溫度場；2)不均勻塑性變形。大型鋁合金模鍛件一般成形工藝為：棒材或板料→下料→制坯→模鍛→固溶處理→人工時效→機加工，在此過程中可能產生內部殘余應力的過程有：

2.1 大型鋁合金模鍛件毛坯初始殘余應力

大型鋁合金模鍛件毛坯一般為鋁合金厚板或大型自由鍛件，其成形及熱處理過程都會使鋁合金毛坯中存在較大的殘余應力。殘余應力主要來源為在淬火過程中的表層與心部冷卻速度巨大差異，殘余應力狀態(tài)一般為為外拉內壓。鋁合金厚板一般采用大型張力拉伸機對其進行小變形拉伸處理來消減殘余應力。普遍認為，鋁合金毛坯殘余應力對大型鋁合金模鍛件最終殘余應力分布影響較小，但較大的殘余應力會導致厚板使用和成形性能出現較大波動[4]，因此在成形前應對毛坯殘余應力進行測量，作為評價原材料性能的重要指標。

2.2 鍛造成形過程中產生的殘余應力

鋁合金模鍛過程中的大變形及不均勻塑性變形都會導致鍛件內產生較大殘余應力，其殘余應力的分布比較復雜。不均勻變形還會導致材料力學性能和熱參數的變化，從而進一步引起鍛件內部的殘余應力。但是，大型鋁合金鍛件成形一般在高溫下進行，而每火次的加熱溫度都遠遠超過了材料的再結晶溫度，因此目前普遍的觀點認為，大型鍛件最終殘余應力與大型鍛件的熱成形無關或影響非常小。此觀點沒有考慮鍛件組織不均勻、鍛件結構設計等等問題。

2.3 熱處理過程中產生的殘余應力

大型鋁合金模鍛件的基本熱處理方法為固溶處理+時效，其中淬火過程對零件殘余應力影響最大，是目前公認的大型鋁合金模鍛件殘余應力主要來源，而時效處理對鍛件內殘余應力有緩解作用。淬火過程殘余應力確定較為困難，主要的原因有：

(1)淬火過程鍛件溫差大，時間短，過程參數較多；

(2)大型鋁合金鍛件多為框梁結構，結構復雜，不同區(qū)域熱交換系數不同；

(3)淬火過程中，如果熱應力超過材料屈服極限則發(fā)生淬火塑性變形，如果小于材料屈服極限則產生殘余應力，因此淬火變形和淬火殘余應力應共同考慮；

(4)為防止鍛件在淬火過程中發(fā)生較大變形，復雜鍛件常常使用專用夾具，而夾具也會使得殘余應力大小及分布產生影響，使得淬火殘余應力更加復雜。

淬火后的大型鋁合金模鍛件，零件表面為殘余壓應力，芯部為殘余拉應力，殘余壓應力主要集中在筋板表面，而殘余拉應力集中于筋板與腹板交匯處[4]。因此，對于大型鋁合金模鍛件而言，消減筋板與腹板交匯處的殘余拉應力是殘余應力控制的主要目標。

3 大型鋁合金模鍛件殘余應力測試及評估

殘余應力測試方法可分為有損檢測與無損檢測兩大類。無損檢測法主要有X射線衍射法、中子衍射法等，其原理是以多晶體材料內部彈性變形引起的晶粒間距相對于無應力狀態(tài)時的變化量進行應力測定[5]，該方法受測試零件尺寸限制，無法直接用于大型鋁合金模鍛件的殘余應力檢測。有損檢測方法是利用機械加工將被測元件一部分去除，造成部分殘余應力釋放，然后通過測定相應的位移、應變等推算原始的殘余應力。有損檢測法主要有鉆孔法、環(huán)芯法、剝層法、裂紋柔度法等，目前應用最多的是鉆孔法和環(huán)芯法。當前，所有的殘余應力測試方法都只能分析零件表面殘余應力，沒有公認的無損檢測方法對零件內部殘余應力進行測定，使得對零件內部殘余應力分布以及各種殘余應力消減方法的實際效果難以客觀評價，是殘余應力研究領域的主要瓶頸之一。

對殘余應力的評價方法目前主要有以下兩種：

(1)殘余應力幅度。零件中最大殘余應力與最小殘余應力的差值；

(2)殘余應變能密度。零件單位面積內貯存的彈性能，當殘余應變能密度小于1 kJ/m3時，零件在后續(xù)冷加工過程中基本不發(fā)生加工變形[6]。

4 大型鋁合金鍛件殘余應力控制方法

目前，一般認為大型鋁合金模鍛件中殘余應力主要為淬火殘余應力，消減殘余應力的主要思路有：1)在沒有外力作用下，鍛件內部部分殘余應力因發(fā)生應力松馳而逐步消減，主要方法為時效處理；2)引入外加應力場與原有殘余應力場疊加，使得部分殘余應力轉化為塑性變形，主要方法有深冷處理、模壓法、振動法等。

4.1 時效處理

時效處理是將淬火后的鍛件置于一定溫度保溫一段時間，其部分殘余應力因材料發(fā)生應力松馳而消減[7]，從而使得零件內殘余應力值降低或者分布發(fā)生變化。目前主要時效方法包括自然時效、一級時效、兩級時效以及多級時效。

4.2 深冷處理

深冷處理是指將鍛件浸入液氮中深冷后，再用熱蒸汽快速噴射，通過這種急熱與急冷產生方向相反的熱應力，從而抵消原來的殘余應力場。在選擇合適的工藝參數條件下，深冷處理可降低20%～40%的殘余應力[8]。深冷處理方法最大的問題是需要專門的設備和場地，最大的優(yōu)點是在消除殘余應力的同時，材料的其他力學性能指標也會有所提高。

4.3 模壓法

模壓法是對大型模鍛件筋板處進行限量冷壓縮變形(1%～3%)，使變形應力場與鍛件原有殘余應力場疊加，部分殘余應力因發(fā)生塑性變形而得以緩和或釋放，從而使得鍛件內殘余應力值降低或者分布發(fā)生變化，該方法的難點在于模壓變形量以及模壓精確控制[9]。

4.4 振動法

振動法的基本原理是采用強力激振器使零件內部產生一個或多個振動狀態(tài)，當零件內某些部位的殘余應力與振動載荷疊加后超過材料的屈服應力則發(fā)生塑性應變，從而引起內應力的降低和重新分布[10]。振動消除應力技術具有高效節(jié)能、低成本、工藝簡單、適用性強等特點，非常適合于鋁合金大型結構件生產。由于振動法消減殘余應力的機理還不太明確，在實際操作中也有許多具休的技術問題只能依靠經驗，如工件支承、激振點位置、動應力選擇、共振頻率等。

根據大型鋁合金模鍛件殘余應力消減相關文獻可知，單一殘余應力消減方法對大型鋁合金模鍛件殘余應力控制能力有限，且都有很大的局限性，因此需要在準確預測的基礎上綜合運用。

5 結論

殘余應力控制作為鋁合金大型模鍛件精密成形的重要步驟越來越受到重視，通過對鋁合金大型模鍛件成形過程中殘余應力產生、檢測以及消減方法進行分析，主要結論如下：

(1)鋁合金大型模鍛件中較大的殘余應力會引起后續(xù)冷機加工過程變形，材料的疲勞壽命縮短，抗腐蝕性能明顯下降，零件可靠性下降等問題。

(2)鋁合金大型模鍛件殘余應力主要由淬火過程產生，消減筋板與腹板交匯處的殘余拉應力是殘余應力控制的主要目標。

(3)當前，沒有公認的無損檢測方法對零件內部殘余應力進行測定，使得對零件內部殘余應力分布以及各種殘余應力消減方法的實際效果難以客觀評價。

(4)時效處理、深冷處理、模壓法、振動法等殘余應力消減方法在大型鋁合金模鍛件領域都有應用，單一方法控制能力有限，應在準確掌握鍛件內部殘余應力分布的前提下綜合運用。

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編輯 杜青泉

Controlling of Residual Stress for Heavy Aluminum Alloy Die Forging

Men Zhengxing, Chen Xiaolei, Yue Taiwen, Ma Yaxin

The residual stress, which could directly influence the parameters of heavy aluminum alloy die forging, such as the dimensional stability, the use security and the fatigue strength etc., is one of the main problems for precision forming of heavy aluminum alloy die forgings. Based on the forming characteristics of heavy aluminum alloy die forgings, the development of residual stress controlling technology for heavy aluminum alloy die forging has been analyzed and summarized in the aspects of the main influence on workpieces, the causes, the measuring and evaluating method and the relief method etc.

aluminum alloy die forging; residual stress; stress relief

2016—03—15

門正興(1980—)，男，副教授，高級工程師，博士，主要研究方向：大型鍛件成形工藝優(yōu)化及內部組織預測、大型環(huán)件軋制工藝研究、成形及熱處理過程殘余應力分析及預測。

TG316

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