任魏巍，鄒林池，張興峰，符殿寶，陳俊鋒

(1福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350116；2福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350118)

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7050鋁合金時(shí)效成形中應(yīng)力松弛行為與回彈方程

任魏巍1，鄒林池2，張興峰1，符殿寶1，陳俊鋒1

(1福州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350116；2福建工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350118)

通過(guò)自主設(shè)計(jì)的單向拉伸應(yīng)力松弛裝置研究7050鋁合金時(shí)效成形過(guò)程中的應(yīng)力松弛行為和回彈方程。結(jié)果表明：時(shí)效溫度范圍內(nèi)7050鋁合金的應(yīng)力松弛曲線表現(xiàn)為典型的對(duì)數(shù)衰減曲線。該松弛過(guò)程可以分為應(yīng)力快速下降，應(yīng)力緩慢衰減和應(yīng)力保持相對(duì)恒定3個(gè)階段。隨著溫度的升高應(yīng)力松弛極限逐漸降低。由于7050鋁合金時(shí)效析出與應(yīng)力松弛中位錯(cuò)蠕變的共同作用引起了松弛過(guò)程檻應(yīng)力現(xiàn)象。通過(guò)解析7050鋁合金應(yīng)力松弛行為的特征和松弛曲線的泰勒方程得到該合金在時(shí)效溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力松弛經(jīng)驗(yàn)公式，以此獲得該合金時(shí)效成形過(guò)程中的應(yīng)力松弛方程，并利用該經(jīng)驗(yàn)公式較好地預(yù)測(cè)時(shí)效成形后試樣的回彈率。

7050鋁合金；時(shí)效成形；應(yīng)力松弛；回彈預(yù)測(cè)

在當(dāng)代飛機(jī)制造工業(yè)中，整體壁板的廣泛運(yùn)用可以有效地減輕飛機(jī)的質(zhì)量，同時(shí)具有工裝效率高、型面靈活易于優(yōu)化設(shè)計(jì)、密封性好等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越受到當(dāng)代航空工業(yè)的青睞。傳統(tǒng)的整體壁板制造技術(shù)主要是增量壓彎冷成形，該技術(shù)利用專(zhuān)用壓力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)壓頭在整體壁板表面沿著一定的軌跡進(jìn)行局部塑性變形，通過(guò)逐次的變形累積使得整個(gè)壁板表面變形至所需要的曲率。由于該成形技術(shù)為局部塑性變形，會(huì)導(dǎo)致工件表面殘余應(yīng)力高，局部萌生微裂紋，合金內(nèi)組織變化不均勻，此外該成形技術(shù)生產(chǎn)效率低下；為此，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)出一種先進(jìn)的整體壁板制造技術(shù)—時(shí)效成形技術(shù)(age-forming)[1-3]。時(shí)效成形技術(shù)將鋁合金的塑性成形與人工時(shí)效相結(jié)合，利用鋁合金在應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下的蠕變松弛行為來(lái)獲得滿(mǎn)足形狀尺寸要求的整體壁板，同時(shí)利用人工時(shí)效使合金保持良好的組織和性能，既能“控形”，又能“控性”[4-7]。由于時(shí)效成形對(duì)制造整體壁板的先進(jìn)性，西方航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家很早就針對(duì)時(shí)效成形技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究，并已應(yīng)用于一些飛機(jī)的整體壁板的加工制造，甚至歐盟還特意設(shè)立了“時(shí)效成形”的跨國(guó)聯(lián)合研究項(xiàng)目[3]。

時(shí)效成形過(guò)程中存在典型的應(yīng)力松弛行為。大量研究表明合金的應(yīng)力松弛是一種在恒應(yīng)變條件下應(yīng)力隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷衰減的過(guò)程，變形方式以蠕變?yōu)橹?。時(shí)效成形的過(guò)程中試樣內(nèi)的彈性應(yīng)變隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變，從而導(dǎo)致初始外加應(yīng)力不斷衰減[1,7-9]。在應(yīng)力衰減的過(guò)程中合金通過(guò)蠕變將可回復(fù)的彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為永久的塑性應(yīng)變。為了保證工件的精確成形就必須研究合金在時(shí)效成形過(guò)程中的應(yīng)力松弛行為，并能得到該合金的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)方程，從而吸引了國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究。近年相關(guān)研究大多根據(jù)蠕變模型來(lái)外推鋁合金的應(yīng)力松弛方程。湛利華等[10,11]基于蠕變公式通過(guò)回歸分析得到了蠕變與應(yīng)力松弛的轉(zhuǎn)化關(guān)系和蠕變本構(gòu)方程。李超等[12,13]研究了溫度和初始應(yīng)力等因素對(duì)7050鋁合金時(shí)效成形變形量與組織性能的影響。雖然時(shí)效成形中應(yīng)力松弛的本質(zhì)和傳統(tǒng)蠕變類(lèi)似，但是該過(guò)程的應(yīng)力松弛行為又特殊一些，其特殊性表現(xiàn)在時(shí)效成形的過(guò)程中伴隨有析出強(qiáng)化行為，那么應(yīng)力松弛與時(shí)效析出相是否會(huì)產(chǎn)生交互作用值得研究。近年來(lái)鮮有文獻(xiàn)報(bào)道時(shí)效成形過(guò)程中沉淀析出與應(yīng)力松弛行為的相互作用及其對(duì)松弛行為的影響，甚少針對(duì)鋁合金時(shí)效成形過(guò)程中實(shí)際的應(yīng)力松弛曲線展開(kāi)相關(guān)研究，這樣蠕變模型轉(zhuǎn)換所得的應(yīng)力松弛方程就不能很好地貼近實(shí)際，預(yù)測(cè)回彈，影響工件的精確成形；因此，本工作針對(duì)7050鋁合金時(shí)效成形的應(yīng)用，研究7050鋁合金在傳統(tǒng)時(shí)效溫度范圍內(nèi)應(yīng)力松弛行為特征，并以此得到更切合析出溫度范圍的應(yīng)力松弛方程，從而能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)合金時(shí)效成形后的回彈率。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用7050鋁合金軋板作為實(shí)驗(yàn)材料，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。將供貨態(tài)7050鋁合金軋板在(475±2)℃下保溫2h后水淬冷卻至室溫，進(jìn)行固溶淬火處理，得到理想的完全再結(jié)晶組織和過(guò)飽和固溶體。

表1　7050鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

7050鋁合金固溶處理后，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1-3]的時(shí)效成形工藝特點(diǎn)，利用自行設(shè)計(jì)的單向拉伸應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)模擬時(shí)效成形過(guò)程，應(yīng)力松弛的試樣為圓棒狀，7050鋁合金應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)裝置與試樣尺寸, 分別如圖1和圖2所示。應(yīng)力松弛工藝流程如下：首先將試樣裝載到試驗(yàn)機(jī)上并迅速加熱到設(shè)定溫度(速率為40℃/min)后施加拉伸載荷(速率為500N/s)，當(dāng)外加載荷達(dá)到設(shè)定載荷后保持試樣的拉伸位移恒定，然后將試樣在該載荷和溫度下保持5min左右，當(dāng)傳感器穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄應(yīng)力松弛曲線。應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)溫度分別選取120,160℃和200℃，實(shí)驗(yàn)時(shí)間從90min至24h不等，初始應(yīng)力為200MPa。

圖1　應(yīng)力松弛裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of stress relaxation equipment

圖2　7050鋁合金應(yīng)力松弛試樣　(a)試樣實(shí)物；(b)試樣尺寸Fig.2　7050 Al alloys sample of stress relaxation　(a)sample;(b)sample size

2　結(jié)果與分析

2.1固溶態(tài)7050鋁合金的應(yīng)力松弛行為

圖3為固溶態(tài)7050鋁合金在160℃，初始應(yīng)力為200MPa條件下的應(yīng)力松弛曲線。圖3清晰地顯示固溶態(tài)7050鋁合金應(yīng)力松弛曲線是一個(gè)典型的對(duì)數(shù)衰變曲線，和其他學(xué)者[14,15]的研究結(jié)果相似。應(yīng)力松弛過(guò)程主要分為3個(gè)階段，分別是應(yīng)力迅速下降階段(階段Ⅰ)，應(yīng)力下降速率減緩的過(guò)渡階段(階段Ⅱ)和應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定階段(階段Ⅲ)。應(yīng)力快速下降階段處于應(yīng)力松弛的早期，但是這個(gè)階段比較短暫，只維持了不到2h。隨后經(jīng)過(guò)一個(gè)圓弧過(guò)渡階段后轉(zhuǎn)入應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定階段，這兩個(gè)階段共同組成了材料應(yīng)力松弛的中后期。由圖3可以看出，在應(yīng)力松弛的穩(wěn)定階段，應(yīng)力基本不再下降，應(yīng)力-時(shí)間曲線接近水平，應(yīng)力最后趨近于一個(gè)穩(wěn)定值，即應(yīng)力松弛極限。應(yīng)力松弛極限是決定時(shí)效成形后合金回彈量的關(guān)鍵因素，它取決于松弛溫度和材料的組織結(jié)構(gòu)。另一方面，從應(yīng)力的水平劃分，該應(yīng)力松弛曲線可以分為高應(yīng)力水平時(shí)期和低應(yīng)力水平時(shí)期。其中高應(yīng)力水平時(shí)期主要覆蓋的是階段Ⅰ和階段Ⅱ，低應(yīng)力水平時(shí)期則主要覆蓋的是階段Ⅲ。

圖3　固溶態(tài)7050鋁合金在160℃應(yīng)力松弛過(guò)程的應(yīng)力松弛曲線Fig.3　Stress relaxation curve of the quenched 7050 Al alloys at 160℃

應(yīng)力松弛速率是表征材料應(yīng)力松弛行為的重要參數(shù)。松弛速率用于表征材料應(yīng)力松弛的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，揭示應(yīng)力松弛的快慢程度，計(jì)算應(yīng)力與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可得到應(yīng)力松弛速率。通過(guò)分析其應(yīng)力松弛速率從側(cè)面反映合金時(shí)效成形的可加工性。圖4描述了固溶態(tài)7050鋁合金在160℃時(shí)應(yīng)力松弛過(guò)程中應(yīng)力松弛速率隨時(shí)間變化的曲線?？傮w上，該曲線變化規(guī)律仍為對(duì)數(shù)衰減曲線，與應(yīng)力松弛曲線類(lèi)似。應(yīng)力松弛速率開(kāi)始比較大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，最后松弛速率趨近于零。從圖4清晰可見(jiàn)應(yīng)力松弛速率曲線的斜率存在3種值，分別對(duì)應(yīng)于松弛過(guò)程劃分的3個(gè)階段。在初始階段，曲線的斜率非常陡峭接近垂直，接著在過(guò)渡階段曲線的斜率開(kāi)始變緩，最后斜率基本保持水平不變其值趨近為零。由此可以反映出，在應(yīng)力松弛的初期，塑性應(yīng)變速率較大，較多的彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形并釋放應(yīng)力。在末期應(yīng)力釋放速率趨近于零，說(shuō)明此時(shí)塑形變形基本沒(méi)有，只有少量微觀的塑性應(yīng)變發(fā)生。

圖4　固溶態(tài)7050鋁合金在160℃應(yīng)力松弛過(guò)程的松弛速率曲線Fig.4　Stress rate curve of the quenched 7050 Al alloys at 160℃

圖5　固溶態(tài)7050鋁合金在160℃應(yīng)力松弛過(guò)程的塑性應(yīng)變速率-應(yīng)力曲線Fig.5　Plastic strain rate-stress curve of the quenched 7050 Al alloys in the stress relaxation at 160℃

圖5是固溶態(tài)7050鋁合金在160℃應(yīng)力松弛24h過(guò)程中，塑性應(yīng)變速率和應(yīng)力的對(duì)數(shù)關(guān)系曲線。由圖5可見(jiàn)，曲線表現(xiàn)出向上凸起的形態(tài)，并非一條直線。在應(yīng)力松弛的過(guò)程中，隨著應(yīng)力的下降，塑性應(yīng)變速率不斷減小。當(dāng)外加應(yīng)力低于某一個(gè)臨界應(yīng)力值時(shí)，塑性應(yīng)變速率迅速下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎成90°垂直降低。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[16-19]，這個(gè)臨界應(yīng)力值被定義為檻應(yīng)力。由此說(shuō)明7050鋁合金在應(yīng)力松弛過(guò)程中析出相與變形之間存在相互作用。在2219鋁合金[16]和鋁基復(fù)合材料[17]的熱變形過(guò)程中同樣存在檻應(yīng)力。許多學(xué)者認(rèn)為檻應(yīng)力是位錯(cuò)滑移需要克服第二相粒子的最小應(yīng)力，其大小等于Orwan應(yīng)力[18]。Abdu等[19]論證了AA6082鋁合金中析出相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致蠕變變形過(guò)程中檻應(yīng)力的存在。當(dāng)鋁合金在應(yīng)力松弛過(guò)程中外力衰減到小于檻應(yīng)力水平時(shí)，變形速率急劇下降，變形方式從位錯(cuò)蠕變開(kāi)始向擴(kuò)散蠕變轉(zhuǎn)換。7050鋁合金的應(yīng)力松弛過(guò)程中伴隨著沉淀析出行為。應(yīng)力松弛過(guò)程中合金內(nèi)析出相釘扎位錯(cuò)導(dǎo)致位錯(cuò)蠕變速率迅速降低，這就使得7050鋁合金在應(yīng)力松弛過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的檻應(yīng)力現(xiàn)象。

應(yīng)力松弛的變形以位錯(cuò)蠕變機(jī)制為主。在7050鋁合金的時(shí)效成形的應(yīng)力松弛過(guò)程中伴隨著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并與時(shí)效析出相發(fā)生交互作用。圖6為固溶態(tài)7050鋁合金160℃應(yīng)力松弛后的位錯(cuò)組態(tài)。由圖6可以看出，析出相對(duì)蠕變位錯(cuò)的拖曳，使得位錯(cuò)段彎曲，說(shuō)明析出相釘扎位錯(cuò)使得變形困難。這些析出相在時(shí)效成形的過(guò)程中同時(shí)和晶體內(nèi)位錯(cuò)發(fā)生交互作用，釘扎位錯(cuò)使得位錯(cuò)線彎曲，產(chǎn)生大量的彎曲位錯(cuò)線。應(yīng)力松弛過(guò)程中外加應(yīng)力會(huì)不斷衰減，當(dāng)應(yīng)力小于克服析出相阻礙所需的最小應(yīng)力時(shí)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)停止，變形速率將急劇降低，從而印證了該合金應(yīng)力松弛過(guò)程中的檻應(yīng)力現(xiàn)象。

圖6　固溶態(tài)7050鋁合金160℃應(yīng)力松弛試樣內(nèi)析出相與位錯(cuò)交互作用Fig.6　Interaction between precipitates and dislocation in the 7050 Al alloys during the stress relaxation at 160℃

2.27050鋁合金的應(yīng)力松弛方程

溫度對(duì)鋁合金應(yīng)力松弛行為影響最為顯著。為了深入研究溫度對(duì)7050合金應(yīng)力松弛行為的影響，對(duì)固溶態(tài)7050鋁合金傳統(tǒng)時(shí)效溫度范圍內(nèi)進(jìn)行不同溫度的應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度下的應(yīng)力松弛曲線。圖7是7050鋁合金在120，160℃和200℃下的應(yīng)力松弛曲線。由圖7可以看出，這3個(gè)溫度下的應(yīng)力松弛曲線十分相似，均為對(duì)數(shù)衰減曲線。對(duì)早期應(yīng)力迅速下降階段的曲線進(jìn)行放大觀察，發(fā)現(xiàn)各個(gè)溫度下合金應(yīng)力松弛曲線的斜率不一致。圖7顯示不同的溫度導(dǎo)致合金應(yīng)力松弛極限明顯不同。固溶態(tài)7050鋁合金在120，160℃和200℃下的應(yīng)力松弛極限分別為88.3，69.7MPa和54.6MPa。溫度對(duì)應(yīng)力松弛行為的顯著影響進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)力松弛行為是一個(gè)熱激活的物理過(guò)程。在相同初始應(yīng)力條件下，溫度的影響作用主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)：一是隨著溫度的升高應(yīng)力松弛速率逐漸提高。

圖7　固溶態(tài)7050鋁合金相同初始應(yīng)力不同溫度下應(yīng)力松弛曲線Fig.7　Stress relaxation curves of the quenched 7050 Al alloys at various temperatures

二是溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響特別顯著。一般認(rèn)為，金屬材料的應(yīng)力松弛是由蠕變?cè)斐傻?。合金在較高溫度下，滑移、攀移等位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)活躍，易于通過(guò)蠕變來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力松弛。應(yīng)力松弛時(shí)間是另一個(gè)關(guān)鍵的影響因素。從圖3可以看出應(yīng)力松弛中瞬時(shí)應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低，一段時(shí)間后瞬時(shí)應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力松弛極限并保持相對(duì)穩(wěn)定不再下降。應(yīng)力松弛極限主要與材料的應(yīng)力松弛溫度和松弛時(shí)間有關(guān)，這樣7050鋁合金應(yīng)力松弛極限可以表示為：

σlimit=f(T,t)

(1)

式中：σlimit為應(yīng)力松弛極限；T為松弛溫度；t為松弛時(shí)間。

利用泰勒公式求解方程(1)可以得到7050鋁合金在時(shí)效溫度范圍內(nèi)的應(yīng)力松弛經(jīng)驗(yàn)方程：

(2)

一般來(lái)說(shuō)，解泰勒公式取前3項(xiàng)即可滿(mǎn)足精度要求，因此將式(2)簡(jiǎn)化得到方程(3)：

(3)

根據(jù)圖3的應(yīng)力松弛曲線可知固溶態(tài)7050鋁合金在160℃應(yīng)力松弛2h后就達(dá)到應(yīng)力松弛極限，松弛時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)后試樣的外加應(yīng)力基本保持不變；因此，選取固溶態(tài)的7050鋁合金在120～200℃范圍內(nèi)，松弛2h的應(yīng)力松弛曲線即可求得該合金的應(yīng)力松弛方程。選擇該合金在160℃應(yīng)力松弛100s的時(shí)刻為初始狀態(tài)，相應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)力剩余率和時(shí)間、溫度的關(guān)系如圖8所示。圖8(a)給出了固溶態(tài)7050鋁合金不同溫度下瞬時(shí)應(yīng)力-時(shí)間的關(guān)系曲線，可以看出在一定的溫度下，應(yīng)力松弛過(guò)程的瞬時(shí)應(yīng)力和時(shí)間的對(duì)數(shù)近似為線性關(guān)系，并且在120～200℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，斜率稍許升高。圖8(b)為固溶態(tài)7050鋁合金對(duì)應(yīng)相同松弛時(shí)間的應(yīng)力剩余率-溫度關(guān)系，可以看出應(yīng)力剩余率和溫度的關(guān)系曲線也近似為線性曲線。

由上述可知固溶態(tài)7050鋁合金的應(yīng)力剩余率與溫度T和時(shí)間的對(duì)數(shù)lgt之間存在線性關(guān)系，那么方程(2)中參變量的二階和二階以上的導(dǎo)數(shù)為零，展開(kāi)后得到方程(3)。方程中，第1項(xiàng)為常數(shù)，表示溫度和時(shí)間為起始坐標(biāo)時(shí)的應(yīng)力剩余率，起始的應(yīng)力剩余率為：φ(T0,t0)=94.6。

圖8　不同溫度(a)和時(shí)間(b)條件下固溶態(tài)7050鋁合金應(yīng)力松弛后應(yīng)力剩余率曲線Fig.8　Residual stress ratio curves of the quenched 7050 Al alloys in the stress relaxation process at various temperatures (a) and different time (b)

綜合以上內(nèi)容，得到固溶態(tài)7050鋁合金在120～200℃范圍內(nèi)應(yīng)力剩余率的松弛方程為：

Ψ=94.6-0.11375(T-433)-39.1773(lgt-

lg100)-0.33467(T-433)(lgt-lg100)

(4)

2.37050鋁合金的時(shí)效成形預(yù)測(cè)

根據(jù)Zhan等[1-4]的觀點(diǎn)：鋁合金在熱壓罐中時(shí)效成形和機(jī)械時(shí)效成形的本質(zhì)是相同的，因此本工作根據(jù)機(jī)械時(shí)效成形工藝特點(diǎn)，利用設(shè)計(jì)的單曲率圓柱面模具對(duì)7050鋁合金板進(jìn)行彎曲時(shí)效成形實(shí)驗(yàn)，圓柱面模具的設(shè)計(jì)半徑為1000mm，利用Talor輪廓儀測(cè)量得到時(shí)效成形后彎板的實(shí)際半徑。

圖9為固溶態(tài)7050鋁合金利用模具在干燥箱中時(shí)效成形后的彎板實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)溫度同樣選擇120，160℃和200℃，由于該合金應(yīng)力松弛2h后達(dá)到松弛極限，因此時(shí)效成形時(shí)間選為2h，時(shí)效成形后使用輪廓儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得到彎板的回彈率。

時(shí)效成形后，利用彎板成形后的回彈率來(lái)評(píng)價(jià)7050鋁合金的時(shí)效成形效果。由于7050鋁合金進(jìn)行機(jī)械加載方式為彎曲時(shí)效成形，模具為單曲率的圓柱面。根據(jù)文獻(xiàn)[5,6]將彎曲變形的回彈率(η)定義為時(shí)效成形后板的撓度與時(shí)效成形前板貼模時(shí)刻的撓度之比。

圖9　7050鋁合金時(shí)效成形模具和成形后彎板實(shí)物圖　(a)凹模；(b)圓柱面彎板；(c)不同溫度2h時(shí)效成形后彎板Fig.9　Die of age-forming and samples treated by age-forming　(a)die;(b)age-formed plate;(c)plate treated by age-forming for 2h at different temperatures

(5)

式中：δf為時(shí)效成形后板的撓度；δ0為時(shí)效成形前板貼模時(shí)刻的撓度。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[20,21]可以證明彎曲時(shí)效成形后的回彈率和合金應(yīng)力松弛后應(yīng)力剩余率是相同的，即得回彈率公式如下：

(6)

由式(6)可得時(shí)效成形中的回彈率和應(yīng)力剩余率相等，根據(jù)上文所得到的7050鋁合金的應(yīng)力剩余率方程，在其適用的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)實(shí)際時(shí)效成形試樣的回彈率。

圖10分別給出不同溫度時(shí)效成形2h后彎板的實(shí)際測(cè)量的回彈率和利用應(yīng)力剩余率松弛方程(4)所求得的回彈率。圖10顯示實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較接近；因此，在適用范圍內(nèi)應(yīng)力松弛方程可以很好地預(yù)測(cè)7050鋁合金單曲率彎曲時(shí)效成形后彎板的回彈率。

圖10　時(shí)效成形后彎板實(shí)測(cè)回彈率和應(yīng)力松弛方程計(jì)算所得回彈率Fig.10　Experimental springback of the 7050 alloy treated by age-forming vs calculated springback by the stress relaxation equation

3　結(jié)論

(1)時(shí)效成形過(guò)程中7050鋁合金應(yīng)力松弛行為與傳統(tǒng)應(yīng)力松弛行為類(lèi)似，仍然是典型的對(duì)數(shù)衰減曲線。但是其應(yīng)力松弛過(guò)程可以分為3個(gè)階段：初始應(yīng)力快速下降階段；應(yīng)力緩慢衰減的過(guò)渡階段；后期的應(yīng)力保持恒定階段，最后達(dá)到應(yīng)力松弛極限。

(2)7050鋁合金時(shí)效成形過(guò)程中的析出相與位錯(cuò)的交互作用導(dǎo)致該合金的應(yīng)力松弛行為存在明顯的檻應(yīng)力現(xiàn)象。

(3)基于7050鋁合金應(yīng)力松弛的特征，得到該合金在120～200℃范圍內(nèi)的應(yīng)力松弛應(yīng)力剩余率的經(jīng)驗(yàn)公式：Ψ=94.6-0.11375(T-433)-39.1773(lgt-lg100)-0.33467(T-433)(lgt-lg100)，它能夠很好地預(yù)測(cè)7050鋁合金時(shí)效成形的回彈率。

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Stress Relaxation Behavior and Springback Equation of 7050 Aluminum Alloys During Age-forming Process

REN Wei-wei1,ZOU Lin-chi2,ZHANG Xing-feng1,FU Dian-bao1,CHEN Jun-feng1

(1 College of Materials Science and Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China；2 School of Materials Science and Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350118,China)

The stress relaxation behavior and springback equation of 7050 aluminum alloys during the age-forming process were studied through self-designed uniaxial tension device. The results show that in traditional aging temperature, the stress relaxation curve of 7050 aluminum alloys exhibits a classical logarithmic decrement curve. The stress relaxation process can be divided into three stages, which are the initial stress decayed fast stage, the subsequent stress slowly decayed stage and the stress constantly maintained stage, respectively. Stress relaxation limit of 7050 aluminum alloys decreases with increasing aging temperature. The threshold stress presents during the stress relaxation process due to the interaction between precipitation behavior and dislocation creep of 7050 aluminum alloys. The stress relaxation equation of 7050 aluminum alloys is obtained through resolving the feature and Taylor equation of relaxation process, and using the stress relaxation equation can precisely predict the springback of workpiece after age-forming.

7050 aluminium alloy;age-forming;stress relaxation;springback prediction

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.014

TG113.25

A

1001-4381(2016)09-0089-07

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51501040)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J05097)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA14047)；福建省教育廳JK類(lèi)項(xiàng)目(JK2015030)

2016-03-02；

2016-07-19

陳俊鋒(1983-)，男，博士，講師，研究方向：輕合金的變形行為，聯(lián)系地址：福建省福州市閩侯上街鎮(zhèn)學(xué)園路2號(hào)福州大學(xué)旗山校區(qū)材料科學(xué)樓401室(350116)，E-mail:chenjunfeng@fzu.edu.cn