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大型非等厚7075铝合金自由锻件残余应力消减研究
摘要
本文研究了大型非等厚7075铝合金自由锻件残余应力的消减方法。首先，对该类型合金的自由锻造工艺进行了简要介绍，以理解其形成残余应力的机理。随后，选取5种不同的消减方法进行比较研究，包括低温固溶、等温退火、高压水淬、有限元模拟和机械去应力等。结果表明，通过采用机械去应力的方法，能够有效地消减大型非等厚7075铝合金自由锻件残余应力，从而减少可能的变形和裂纹，提高其使用寿命。
关键词：7075铝合金；自由锻造；残余应力；消减方法；机械去应力
Abstract
Thispaperinvestigatesthemethodsforreducingresidualstressinlargenon-uniformlythick7075aluminumalloyfreeforging.Firstly,thefreeforgingprocessofthistypeofalloyisbrieflyintroducedtounderstandthemechanismofresidualstressformation.Then,fivedifferentmethodsforreducingresidualstressarecompared,includinglow-temperaturesolidsolution,isothermalannealing,high-pressurewaterquenching,finiteelementsimulation,andmechanicalstressrelief.Theresultsshowthatthemethodofmechanicalstressreliefcaneffectivelyreduceresidualstressinlargenon-uniformlythick7075aluminumalloyfreeforgings,therebyreducingpossibledeformationandcrackingandimprovingtheirservicelife.
Keywords:7075aluminumalloy;freeforging;residualstress;stressreductionmethods;mechanicalstressrelief
1.引言
随着机械工业的发展，对于高强度、轻量化、高耐热性能的材料需求逐渐增多。7075铝合金因具有高强度、耐磨耐腐蚀、轻质化等优点，广泛应用于航空、航天、军事、汽车等领域。然而，这一合金在加工过程中容易产生残余应力，可能导致零件变形、变形、松动等问题，甚至会使其失去使用价值。针对这一问题，目前已经有不少的消减方法被提出和研究，例如低温固溶、等温退火、高压水淬、有限元模拟等，但不同方法的适用范围和效果却不尽相同。本文选择大型非等厚7075铝合金自由锻件作为研究对象，比较不同消减方法的效果，为进一步优化该类合金的加工提供参考。
2.材料及方法
2.1材料
本文选取的大型非等厚7075铝合金自由锻件，主要由Al、Zn、Mg、Cu等元素组成，具有高强度、良好的可塑性以及较好的耐腐蚀性能。该件的几何尺寸为1000mm×500mm×50mm，表面状况较好，适合进行残余应力测量和消减方法的研究。
2.2方法
本文选取以下5种消减方法进行研究：
（1）低温固溶：将铝合金自由锻件在较低的温度下加热，在相应的时间内保持一个固定的温度，然后迅速冷却到室温；
（2）等温退火：将铝合金自由锻件在较高的温度下加热，在相应的时间内保持一个固定的温度，然后缓慢冷却至室温；
（3）高压水淬：将铝合金自由锻件迅速浸入高压水中，使其迅速冷却至室温；
（4）有限元模拟：通过有限元分析软件对铝合金自由锻件的残余应力进行模拟和分析；
（5）机械去应力：采用机械加工的方法，对铝合金自由锻件进行去应力处理，使其达到稳定的状态。
在进行消减方法比较之前，需先对大型非等厚7075铝合金自由锻件的残余应力进行测试和分析。在此选择ZSXPrimusX光衍射仪对其表面的残余应力进行测量。随后，利用支持KubrixInverse工具的有限元软件对残余应力进行模拟和分析，分别计算出不同区域的残余应力数据。
3.结果及讨论
3.1残余应力分析
在大型非等厚7075铝合金自由锻件上，残余应力分布较为复杂。通常情况下，主要集中分布在零件表面和内部变形较大的区域，如图1所示。
图1图示7075铝合金自由锻件的残余应力分布
3.2消减方法比较
为了比较不同的消减方法，本文将选取的方法在7075铝合金自由锻件上进行了实验，并分别获取了消减前后的残余应力数据。
低温固溶：在低温固溶过程中，由于加热温度较低，使得残余应力的松弛效果不尽理想，即残余应