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冷压工艺对7050铝合金锻件残余应力的影响研究

【摘要】:对于超大规格7050铝合金锻件,通常需采用固溶淬火处理工艺来提高其强度、韧性、耐腐蚀性能和抗疲劳等综合性能。但在淬火冷却过程中锻件内易引入大的淬火残余应力,不仅影响材料的静强度、抗应力腐蚀性能和抗疲劳等性能,还会降低构件后续机械加工时的尺寸和形状稳定性。因此,如何控制并消减大型构件中的淬火残余应力是时下铝合金研发与应用的热点之一。本文以消减超大规格7050铝合金锻件淬火残余应力为目标,采用数值模拟与工艺实验相结合的方法,较系统地研究锻件中淬火残余应力的分布规律,并探究分段冷压工艺消减锻件淬火残余应力的效果与机理,为超大规格7050铝合金锻件的生产和残余应力的消减提供参考。论文主要研究内容和结果如下:(1)采用Deform-3D数值模拟软件,对7050铝合金试样淬火过程中的温度场和应力场进行数值模拟,探明了淬火残余应力的大小和分布规律,研究了淬火入水方式对残余应力的影响,并借助X射线残余应力测试仪对淬火后的试样表面淬火残余应力进行了实验测量,以验证有限元模拟分析的可靠性。研究结果表明:淬火态试样内存在明显的残余应力,其分布规律为“外压内拉”,其中沿试样长度、宽度和厚度方向的残余正应力σx、σy和σz值范围分别为-162 MPa~196MPa、-195MPa~160MPa 和-189MPa~56.4MPa。试样淬火入水方式对其残余应力大小和分布影响较大,水平入水时试样内部产生的温度梯度和淬火残余应力最大,而竖直入水时的温度梯度和残余应力最小。数值模拟与实验所得的残余应力变化趋势相同且数值吻合度较高,其最大偏差为5.5%~7.1%。(2)采用数值模拟与实验研究相结合的方法,探究了分段冷压工艺消减锻件淬火残余应力的可行性,研究了分段冷压方式、工艺参数和模具结构参数对7050铝合金试样淬火残余应力消减效果的影响。研究结果表明:对称式分段冷压对淬火残余应力的消减效果好于非对称式分段冷压,且试样各向残余应力分布更均匀;在25%~75%的分段冷压进给量范围内,残余应力消减效果随进给量增加而下降;在0.5%~4%的压下量范围内,残余应力的消减效果随压下量的增大呈现先增后降的趋势,当压下量为3%时的消减效果最好;当模具圆角半径为R0~R10时,残余应力消减效果随着模具圆角半径的增大而提高。优化出的分段冷压工艺为:对称式分段冷压,模具圆角半径R10,冷压进给量25%,压下量3%。(3)采用数值模拟方法,研究了超大规格7050铝合金锻件(规格为3200mm×1200mm×400mm)在淬火过程中的温度场和应力场演变规律,对比分析了分段冷压前后锻件表面残余应力的大小和分布规律,并对分段冷压工艺消减残余应力的效果进行了评估。实验结果表明:锻件表面经过370s即可降至淬火介质温度,而芯部约需800s才能降至淬火介质温度;在淬火过程中,残余应力分布由淬火初期的“外拉内压”逐渐转变为淬火终了时的“外压内拉”,长度和宽度方向的残余正应力值范围分别高达-418MPa~324MPa和-409MPa~341MPa。分段冷压后残余应力显著减小,上述应力值分别降至-119MP~120MPa和-129MPa~150MPa,总体消减程度达到70.3%~97.4%。冷压前残余应力模拟值比测试值小20MPa~50MPa,冷压后残余应力模拟值与测试值偏差在20MPa以内。

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