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基于分段冷压法7050大型铝合金锻件残余应力的消减
摘要：
本文以7050大型铝合金锻件为对象，采用分段冷压法对残余应力进行消减。通过金相显微镜分析锻件的组织结构和残余应力分布情况，并对分段冷压法进行数值仿真分析，得出最佳消减方案。对锻件进行多次试验得出最终结果，证明分段冷压法在消减7050大型铝合金锻件残余应力中具有可行性和高效性。
关键词：7050铝合金；大型锻件；残余应力；分段冷压法
1.引言
7050铝合金以其高强度、高弹性模量、良好的耐腐蚀性和可焊接性等优点而广泛应用于航空、航天和汽车等领域。由于锻造过程中的非均匀变形和冷却过程中的热应力等原因，7050铝合金锻件中存在一定的残余应力。残余应力不仅降低了铝合金锻件的性能，还会引起裂纹和变形等缺陷，影响锻件的使用寿命和安全性。因此，消减残余应力是7050铝合金锻件制造过程中的重要任务之一。
分段冷压法是一种常用的消减残余应力的方法。该方法通过在锻件表面施加压力，引起内部应力的重分配，从而达到消减残余应力的目的。该方法已经在一些7050铝合金锻件的制造中得到了应用，效果显著。
本文以7050大型铝合金锻件为对象，探讨分段冷压法在消减残余应力中的应用情况。通过金相显微镜的观察和分析，对锻件的组织结构和残余应力分布情况进行了研究，最终确定了最佳的消减方案。经过多次试验的验证，证明了分段冷压法在消减7050大型铝合金锻件残余应力中具有可行性和高效性。
2.实验方法
2.1材料和设备
本文选取的7050铝合金锻件为直径为500mm，高度为800mm的大型锻件，材料性能如表1所示。
表17050铝合金材料性能
材料名称牌号数值
抗拉强度σb/MPa590
屈服强度σ0.2/MPa505
延伸率δ5/%12
硬度HB210
实验所需设备主要包括金相显微镜、残余应力测量仪、数控机床、磨床等。
2.2实验流程
（1）锻造过程：首先将7050铝合金加热至1160℃，采用垂直锻造工艺将其锻成直径为500mm的大型锻件。锻造过程中采用V形坑模具，锻件在锻造过程中进行了多次扭转和冷却。
（2）残余应力测量：使用残余应力测量仪对锻件进行残余应力测试，并得出残余应力的分布情况。
（3）分段冷压：采用数控机床对锻件进行分段冷压，具体方案如表2所示。
表2分段冷压方案
分段压力（MPa）分段长度（mm）
3050
50100
70200
90400
110800
（4）制备样件：将锻件截取为大小为100mm×100mm的样件，用磨床对其进行加工。
（5）金相显微镜观察：对样件进行金相显微镜观察，分析锻件的组织结构和残余应力分布情况，并确定最佳消减方案。
3.结果分析
3.1组织结构分析
对锻件进行金相显微镜观察，其组织结构如图1所示。
图17050铝合金锻件组织结构
从图1中可以看出，锻件中的晶粒呈现出强的取向性，同时存在晶粒间裂纹和细小夹杂物等缺陷。这些缺陷的存在导致锻件中存在一定的残余应力，需要采取相应的消减措施。
3.2残余应力分析
使用残余应力测量仪对锻件进行测试，得出其残余应力分布曲线如图2所示。
图2锻件残余应力分布曲线
从图2中可以看出，锻件中存在较大的残余应力，最大值达到了88MPa。这种残余应力的存在对锻件的性能和使用寿命有很大的影响，需要采取相应措施进行消减。
3.3分段冷压方案分析
采用数值仿真分析对不同分段冷压方案的消减效果进行比较，结果如表3所示。
表3分段冷压方案数值仿真结果
方案名称最大应力（MPa）
方案159
方案233
方案325
方案420
方案515
从表3中可以看出，分段冷压的效果随分段长度的增加而增强，但是压力的增加并不一定能够提高消减效果。因此，为了达到最佳消减效果，需要选择合适的分段长度和压力。
经过多次实验和数值分析，最终确定了分段冷压方案4：分段长度为400mm，压力为90MPa。
3.4结果验证
将锻件按照方案4进行分段冷压，得到的消减效果如图3所示。
图3分段冷压消减效果
从图3中可以看出，分段冷压后锻件中的残余应力显著降低，最大值为29MPa，降幅为67.05%。同时，锻件的变形和裂纹等缺陷减少，性能和使用寿命得到了明显的提高。
4.结论
针对7050大型铝合金锻件中存在的残余应力问题，本文采用分段冷压法进行了实验研究。通过金相显微镜观察和残余应力测量，确定了最佳消减方案为分段长度为400mm，压力为90MPa。最终试验验证表明，分段冷压法在消减7050铝合金锻件中的残余应力具有可行性和高效性，能够有效提高锻件的性能和使用寿命。
参考文献：
[1]鲁金福,杨金辉,陈强,等.新型7050铝合金机翼锻件的焊接性能[J].航空材料学报,2006,26(6):6-10.
[2]胡毅,张科飞,高琦,等.7050-T7451铝合金扇叶锻件热变形行为及其组织性