冷變形對7075鍛件淬火殘余應力及性能的影響

文/黃定輝，楊恩超，洪鑫，高俊龍·無錫透平葉片有限公司

7075鍛件經固溶后進行了不同變形量的冷鍛變形，再對不同冷鍛變形后的試驗塊進行相同時效熱處理，研究不同冷鍛變形量下鍛件的殘余應力分布、電導率變化及室溫拉伸性能變化規律，結果表明：7075-T7352狀態鍛件冷鍛變形量控制在1%～3.75%時，能獲得較優的消除鍛件淬火殘余應力的效果，冷鍛變形量超過3.75%會產生相反方向的殘余應力累積；7075-T7352狀態鍛件冷鍛變形量在5%以內時，鍛件對應電導率和室溫拉伸性能的抗拉強度、延伸率無明顯變化，而屈服強度有所降低。

7075合金是Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強化的高強度變形鋁合金，因其具有較高的比強度、較好的熱加工性能及可焊性等優點而被廣泛應用，目前已用于減輕武器裝備及大型壓力容器等承力結構件的重量，特別在航空航天武器裝備領域，其高技術化、智能化、一體化趨勢明顯，零件結構上也盡可能多地采用了整體結構設計，如機翼、機身整體大梁、整體加強框、整體油箱等。但零件結構一體化的過程中，零件加工和使用時發生變形的問題，成為了其發展的主要制約，國際上對結構零件加工變形的研究還在進行，各國研究均指出殘余應力是加工或使用過程變形的首要因素。而對于鋁合金鍛件毛坯來說，其經過熱成形后，固溶會消除其鍛造殘余應力，但固溶后淬火的冷卻過程會產生內應力，經切削等加工后內應力重新分布會引起變形，文獻對鍛件的熱加工過程引起的應力分布及應力的釋放方法有較多的報道，但是對于釋放應力后的鍛件力學性能方面的報道較少，工程應用可借鑒資料也較為匱乏。

AMS 4147中對7075-T7352狀態鍛件進行了規定，規定鍛件固溶后冷變形的變形量范圍為1%～5%，而模鍛件淬火后本身已存在較大的殘余應力，冷變形量過大會引起冷作硬化、裂紋或斷裂，而變形過小則使應力消除效果不佳，因此如何根據具體產品制定精確的冷變形變形量成為此類模鍛件能否減少殘余應力并獲得較優性能的關鍵。鑒于此，本試驗選取7075模鍛葉片試塊，在規范規定的冷變形變形量范圍(1%～5%)內，進行不同冷變形量的試驗，旨在研究不同冷變形變形量對7075鋁合金模鍛件的殘余應力和性能的影響規律，為工程化生產選取較佳的冷變形工藝提供數據支撐。

試驗材料與試驗方法

7075模鍛件結構較為復雜，直接用模鍛件進行研究勢必造成不必要的浪費，因此本文試驗材料取自葉片模鍛件的葉根部位，整個葉片經過477℃×400min，水冷的固溶熱處理，試驗材料形狀為圓柱體，規格為φ(35±0.1)mm×(80±0.1)mm，試驗材料機加工成圖1狀態。試料編號分別為0-1、0-2、1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2，圓柱體試驗材料兩端面位于葉片模鍛件的兩表面位置附近，具體試驗材料切取位置示意圖見圖2。

圖1 試驗材料加工及規格示意圖

圖2 試驗材料切取示意圖

對所有試驗材料切取后，對1-1、1-2、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2試樣進行冷鍛，最后對所有試樣進行時效處理，時效制度為107℃×630min隨爐升溫至177℃×450min，空冷。

切取的每個試驗材料編號按表1參數進行不同變形量的冷變形，試驗設備為J58K-1000電動螺旋壓力機，試驗時采用碰模板來控制試驗塊高度，以保證變形量，錘擊一次到位，打擊能量為8%。經過冷變形后的試驗材料分別進行了圓周面殘余應力測試、電導率測試和室溫拉伸性能測試。

表1 試驗材料編號與冷變形量的對應關系表

試驗結果與分析

冷鍛變形量對7075鋁合金鍛件殘余應力的影響

不同冷鍛變形量對應的各部位的縱向殘余應力檢測結果見表2，其中正值代表殘余拉應力，負值代表殘余壓應力。

表2 不同冷變形量下試驗材料不同部位縱向殘余應力的測試結果

從數據結果上看，未經過冷鍛變形的試驗材料其殘余應力分布是表面殘余壓應力，心部殘余拉應力，這是因為淬火冷卻初期鍛件與介質溫度差大，表層冷卻速度比心部快，表層冷卻收縮大于心部，造成表面承受壓應力，隨著表面與心部之間溫差增加，心部的冷卻速度開始高于表面冷速，心部收縮大于表面，造成心部承受拉應力。

經過冷鍛變形的試驗材料各部位的殘余應力分布與未經過冷鍛變形的試驗材料相比，有較為明顯的變化，特別冷鍛變形量從0%增大到2.5%的過程中，靠近鍛件表面位置的縱向殘余應力由殘余壓應力轉變為殘余拉應力，靠近鍛件心部位置的縱向殘余應力仍為殘余壓應力，但殘余壓應力值出現逐步減少的現象。當冷鍛變形量超過3.75%時，近鍛件表面位置和心部位置的殘余應力值均出現一定程度的提高。

這是因為冷鍛時施加的外力疊加原有殘余應力后，使整個工件產生了一定的塑性變形，破壞了應力系統且改變了工件內的應力狀態，具體為在冷鍛的過程中，試驗材料心部材料最先發生塑性變形，心部原本存在的殘余拉應力受到相反的壓應力作用，殘余拉應力值會減少；而心部塑性變形的材料向兩側流動，靠近上下表面的材料會來補充心部材料的流動，這便在上下面的材料上形成拉應力作用，該力與原本存在的殘余壓應力作用方向相反，引起殘余壓應力值的減小，隨著塑性變形的進一步進行，當冷鍛塑性變形產生的拉應力與原本存在的殘余壓應力完全抵消后，其殘余拉應力會變得越來越大。因此消除殘余應力效果較好的冷變形要在不大于3.75%的范圍內選取。

冷鍛變形量對7075鋁合金鍛件電導率及拉伸性能的影響

不同冷鍛變形量對應的各部位的電導率檢測結果及室溫拉伸性能結果見表3，從檢測數據上來看，經過冷鍛變形的試驗材料其各部位電導率值較未經冷鍛變形的試驗材料基本未產生明顯變化，其抗拉強度略有下降，延伸率無明顯變化，而屈服強度下降更為明顯，電導率與對應的室溫拉伸性能數據上有一定對應關系。經冷鍛和未經冷鍛的試驗材料的室溫拉伸性能的結果與AMS4147和AMS4141標準中的對應驗收要求的趨勢一致，其抗拉強度基本不變，但屈服強度因冷鍛變形而有所下降，兩個標準中對性能要求的對比見表4。

表3 不同冷變形量下試驗材料不同部位電導率的測試結果

表4 AMS4147和AMS4141兩種規范下鍛件室溫拉伸性能的驗收要求對比

冷鍛后鍛件屈服強度會有明顯降低的原因可能是冷鍛施加的外力使鍛件發生塑性變形，原有殘余應力狀態在此過程中發生了系統性改變，使得原本存在一定殘余應力狀態的鍛件經應力釋放后處于無應力狀態或低應力狀態，位錯塞積和晶格畸變量程度還相對較小，按此推測，若冷鍛變形量加大到一定程度，超過了相應應力釋放的程度，鍛件的殘余應力將朝著另一個方向累積，位錯塞積和晶格畸變量劇增，冷作硬化作用明顯，其屈服強度將會不再降低反而升高，甚至可能出現開裂等問題，本試驗中當冷鍛變形量達到5%時，其屈服強度已出現不降反升的現象，對該現象更深入的解釋還需繼續開展進一步的試驗和研究工作。

結論

⑴7075-T7352狀態鍛件冷鍛變形量控制在3.75%以內，能獲得較優的消除鍛件淬火殘余應力的效果，冷鍛變形量超過3.75%會產生相反方向的殘余應力累積。鍛件冷鍛變形量的選取需根據具體鍛件的生產工藝狀態，在1%～3.75%范圍內進行工藝驗證。

⑵7075-T7352狀態鍛件冷鍛變形量在5%以內時，鍛件對應電導率和室溫拉伸的抗拉強度、延伸率無明顯變化，而屈服強度有所降低。當冷鍛變形量達到5%時其屈服強度又發生一定程度的升高。

⑶7075-T7352狀態鍛件冷鍛變形后，屈服強度會有所下降的解釋有待進一步開展試驗和研究工作。