（材料加工工程专业论文）淬火介质对7075铝合金厚板淬火残余应力的影响.pdf

摘要 a a 7 0 7 5 是a l z i 卜m g c u 系热处理可强化的高强变形铝合金，7 0 7 5 铝合金淬火时 效后，金属基体中将析出大量弥散强化相，使合会得到强化，同时铝合金在淬火过程 中也将产生较大的残余应力。具有高强、高韧、低残余应力的铝合金预拉伸板是现代 航空、航天工业用量很大的重要结构材料，淬火残余应力的存在不仅使得厚板机加工过 程中易出现翘曲变形，而且也明显降低材料的动态使用性能如k l 。、k 。抗腐蚀和抗疲 劳性能。因此，研究淬火残余应力的影响因素是极为重要的。本文研究了不同淬火介 质对7 0 7 5 厚板淬火残余应力的影响，用钻孔法测量了7 0 7 5 高强度铝合金厚板在不同淬 火介质中淬火后，试样内部产生的淬火减余应力的分布状况，采用冷却曲线分析了淬 火介质浓度、温度对铝合会厚板淬火后残余应力的变化规律。研究表明j ( 1 ) 在相同 的搅拌情况下，n a c l 水溶液冷却速度稍大于水，采用n a c l 溶液作为淬火剂不能降低 试样淬火后产生的残余应力；采用p a g 聚合物溶液作为淬火剂，随着淬火介质温度和 浓度的提高，残余应力越来越小，通过控制淬火液浓度、温度，可以有效降低试样淬 火后产生的残余应力，对7 0 7 5 厚板，其推荐工艺参数为3 0 浓度、4 0 ；采用乳化液 作为淬火剂能显著地降低试样淬火后产生的残余热应力。( 2 ) 不同的淬火工艺对7 0 7 5 铝合会淬火后的晶粒大小基本无影响，不同的淬火工艺对7 0 7 5 铝合会淬火时效后的力 学性能影响很小。此外，研究中还采用有限元方法，对不同淬火工艺下淬火过程的换 热系数进行了推算，其结果与实际吻合良好，说明有限元技术在工程设计以及应用中 有着十分广阔的应用前景。 关键词：7 0 7 5 铝合金淬火介质冷却曲线淬火时效残余应力有限元法 a bs t r a c t p r e c i p i t a t i o n h a r d e n e da l u m i n i u ma i l o v7 0 7 5i sa na l z n - m g c ua l l o yw i d e l vu s e di n t h ea e r o s p a c ei n d u s t r y i tg a i n si t sh i g hs t r e n g t ht h r o u g hh e a tt r e a t m e n ti n v 0 1 v i n gas e v e r e q u e n c h i n go p e r a t i o n ，w h i c hc a nh a v et h ea d v e r s ee f f 色c to fi n t r o d u c i n gr e s i d u a is t r e s s e s i t m a yb e c o m eu n s t a b l ew i t hs h a p ea n dd i m e n s i o na f t e rm e c h a n i z e dp r o c e s s ，o w i n 2t ot h e f e l e a s i n go fr e s i d u a l s t r e s s e s s oi ti si m p o r t a n tt o s t u d yt h ea s p e c t sw h i c ha f f 色c t o n r e s i d u a ls t r e s s e sd u r i n gt h ec o u r s eo fq u e n c h i n g t h ee f f 色c t so fd i f f 色r e n tq u e n c h a n t so n r e s i d u a ls t r e s s e si nq u e n c h e da 1 u m i n i u ma i l o y7 0 7 5t h i c k p l a t e sh a v eb e e ns t u d i e db y m e a s u r e i n g t h er e s i d u a s t r e s s e sb y d r i l l n l gh o l e i n e t h o di 王1q u e n c h e d 7 0 7 5t h i c k p l a t e s； t h ep r i n c i p l eo fc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo f q u e n c h a n t so nr e s i d u a ls t r e s si nq u e n c h e d 7 0 7 5t h i c kp l a t e sh a v ea l s ob e e ns t u d i e db vu s i n gc o o l i n gc u r v eo fq u e n c h a n t s t h e r e s e a r c hh a v es h o w nt h a tr e s i d u a is t r e s s e si nq u e n c h e da i u m i n i u ma i i o y7 0 7 5t h i c kp i a t e s c a nb e e nr e d u c e dc o n s i d e r a b l e l yb y u s i n gp r o p e rq u e n c h a n t ss u c ha sa q 2 5l ，a n dc o n t r o l i n g t h eq u e n c l l a n t sc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e ，y o uc a ng e tm u c hl o w e rr e s i d u a ls t r e s si n t h eq u e n c h e d7 0 7 5t h i c kp l a t e s t h en n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r mi su s e dt oc a l c u l a t e dt h ec o n v e c t i o nc o e m c i e n t c u i - v e sd u “n gt h eq u e n c h i n go fa l u m i n u m a o y7 0 7 5u n d e r d 引匿e r e n tq u e n c h i n g p r o c e s s e s w eh a v e2 0 tt h ec o n v e c t i o nc o e f n c i e n t sc u r v e su n d e rd i f f b r e n tq u e n c h i n gp r o c e s s e sb yt h e s o f t w a r ed e f o r m 一2 d t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t e dc o n v e c t i o nc o f n c i e n t d u r i n 2t h ed i f f 色r e n tq u e n c h i n gp r o c e s s e sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h et r u eq u e n c h j n gp r o c e s s e s a n di tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h er e s i d u a ls t r e s sd u r i n gt h ec o u r s eo fq u e n c h i n g k e y w o r d s ： a l u m i n i u m a 1 1 0 y7 0 7 5 ，q u e n c h i n g ，a g e i n g ，q u e n c h a n t ，c o o l i n gc u r v e ， r e s i d u a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i i 中南人学硕。| = 学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 a a 7 0 7 5 是a l z n m g c u 系热处理可强化的高强变形铝合金，它可以获得各种品 种、尺寸的制品，是目前使用最广泛的高强度铝合金。它有几种热处理状态类型：丁6 、 t 7 3 、t 7 6 。t 6 状态强度最高，断裂韧度最低，对应力腐蚀开裂敏感，且因其韧性随温 度降低而降低，故t 6 状态一般不推荐用于低温场合；t 7 3 状态强度最低，但具有相当 高的断裂韧度和优良的抗应力腐蚀开裂和抗剥蚀性能：t 7 6 状态具有比t 7 3 状态高的 强度和比t 6 状态高的抗应力腐蚀性的折中性能。该合金的静强度比2 0 2 4 和2 1 2 4 合金 高，但其疲劳性能却与之相当，其相近牌号为：l c 9 ( 中国) 、b 9 5 。 所谓淬火，就是将高温金属放入某种介质中快速冷却下来。7 0 7 5 铝合金厚板在淬火 时效后，金属基体中将析出大量弥散强化相，使合金得到强化，同时铝合金在淬火过 程中也将产生较大的残余应力。具有高强、高韧、低残余应力的铝合金拉伸厚板是现 代航空、航天工业用量很大的新型结构材料，残余应力的存在一方面使得厚板机加工 时变形，不利于后续加工：另一方面会影晌材料的动态使用性能。因此，有必要对7 0 7 5 铝合金厚板在机械加工前的热处理工序进行分析，确定一种生产低残余应力板材的热处理 工艺。 7 0 7 5 铝合金厚板生产主要工艺过程如下： 熔炼卜铸造卜均匀化热轧4 8 0 固溶 淬火预拉伸时效机械加工 在以上工艺过程中，淬火是引起工件内残余应力的主要环节，预拉仲是用于减轻工件 内残余应力的，实验【2 】表明：2 5 的预拉伸可较好的降低残余应力，时效也可部分降低工 件内残余应力。 7 0 7 5 铝合金厚板的淬火主要取决于淬火介质，即厚板中残余应力的产生主要与淬火时 的快速冷却状况有关。 众所周知，工件的淬火主要是为了得到更好的性能。对铝合金来说，淬火是为了得到 过饱和固溶体，为下一步的时效做准备。因此，为避免高温时形成的过饱和固溶体发生分 解以致影响时效后强度，必须在淬火时保证足够的冷却速度。但是对厚度4 0 6 0 m m 的铝 合金板材，淬火冷却速度太快易使工件内外层冷却速度不一致，从而产生自平衡的内应力， 在淬火时效后，此种应力仍残留在工件内，形成残余应力【jj 。所以从降低残余应力角度出 发，希望减缓冷却以使工件内外层冷却更均匀。文献 4 上关于铝合金的淬火部分写道： 铝合金工件淬火冷却时溶质沉淀速率取决于两个对抗的因素：过饱和和扩散，在高温下， 过饱和程度低，因此，尽管具有高的扩散速率，沉淀速率也是低的。在低温下，扩散速率 低，因而尽管具有高的过饱和程度，沉淀速率仍然是低的。在中等温度，沉淀速率最高。 因此，在大部分淬冷工艺周期中慢速冷却，而在某特定区间( 中温4 0 0 一2 5 0 ) 充分快 冷，从而可获得工件强度与残余应力的协调。1 9 6 8 年，v r u g g i n k 总结口j ，工件淬火最简 单有效的方法是在不同的介质中冷却以获得适当的冷却速度( 分别满足降低工件淬火残余 应力和性能要求) 。然而，在不同介质中淬火有一个工艺实现问题，由于淬火过程短暂( 5 1 0 s ) ，这种方法在实际生产中似乎难于实现。 到目前为止，国际残余应力及变形控制会议已经召开了三届，相关书籍出版了不少， 论文也发表了许多。国外对残余应力的研究开展比较早【6 】【7 】【8 ”】，尤其是近年来随着 微电子技术的飞速发展和计算机的普及应用，取得了相当大的研究成果，并且已经建 中南大学硕j j 学位论文 成立了一整套比较成熟的理论与模型来解释残余应力。这些成果极大地促进了人们对 材料中存在的应力的深刻认识。我国由于历史的原因，虽然近二十年来也有许多残余 应力方面的研究成果，但与国外相比，对残余应力的研究仍较落后。 本论文重点研究高强铝合金厚板在淬火过程中残余应力的产生规律，在实验基础上 分析淬火介质对残余应力的影响，找出减缓或消除残余应力的方法。 有关残余应力的概念、产生原因、危害、测量方法及消除方法等内容，详见文献f 2 1 。 1 2 淬火介质与方法 许多不同的介质已用于淬火【4 ，如水、赫水溶液、油类、聚合物溶液、熔金属、气 体( 静止或流动的) 等，其中有一些只在很有限的范围内应用。 1 2 1 水 作为一种淬火介质，水可以达到很大的冷却速度，且便宜易于取得，容易除 掉污染或与人身健康危害的有关问题。因此，水广泛应用于钢铁和有色金属的淬 火。为了使水淬能获得再现性，必须控制其温度、搅拌和污染。水温升高时，水 的表面冷却能力快速下降，热水，如接近沸点，只有很低的冷却能力，因为它的 冷却效应与蒸汽相似。 l ，2 2 盐水 盐水指的是含有不同百分数的盐( 如氯化钠或氯化钙) 水溶液，与普通水相 比，在相同的搅拌程度下，其冷却速度大于水。其缺点是盐水对淬火设备有一定 腐蚀性。 1 2 3 淬火油 所有的现代淬火油都以矿物油为基，通常是石蜡基的，而不含脂肪油。影响淬火油淬 火效率的一个很重要的指标是它的粘度，它通常反映油的流动性能。普通淬火油在4 0 时的典型粘度为1 0 0 1 1 0 s u s 。其冷却速度小于水。由于淬火油在淬火时很容易引起火灾， 且有一定污染，所以一般不用于铝合金的淬火。 1 2 4 聚合物溶液 现代热处理技术有了飞速的发展，过去主要淬火剂是水，或者加入无机盐添加剂加以 改进等随着石油的发现，碳氢化合物产品成为主要的淬火介质f 4j 。人们已经确定某些水 溶性聚合物溶液对改善水的冷却特性是有益的。与油相比，聚合物溶液同样有一个粘度指 标，但与油不同，水溶性聚合物与水互溶，因此，随着水中聚合物浓度的增大，其粘度逐 渐增加，粘度大，溶液的流动性差，因此导致冷速变慢。通常，聚合物淬火剂可以提供水、 油之| 白j 的冷却特性，即通过改变聚合物溶液的浓度、温度等，可以获得介于水、油之间的 宽广的冷却速度。其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、使用安全可靠，且冷却 性能好，冷却速度可调，适用范围广，可明显减少变形和丌裂倾向。 大多数航空用铝合金( 2 x x x 、6 x x x 、7 x x x ) 用的淬火介质为6 0 7 0 的热水，但是聚 合物溶液在铝合金的热处理中用得越来越多，其中，聚二醇( p a g ) 和聚丙烯 ( a c r ) 可较好的用于铝合金的淬火。 聚二醇( p o l y a l k y l e n eg l y c 0 1 s ) 又名聚烷二醇酯，其分子式1 见图1 一l ： h c l 一( c h h ：- o ) n ( c h h o ) i n h ch l 图卜1 聚二醇分子式 中南大学硕：上学位论文 聚二醇( p a g ) 是由乙烯氧化物和丙烯氧化物任意聚合而成的，通过改变乙烯氧化 物和丙烯氧化物的比例及聚合物分子量的大小，可以生产出具有广阔用途的聚二醇，如聚 二醇可用于化妆品、液压油、润滑剂及淬火剂等。 目前p a g 淬火剂是世界上使用最稳定、最广泛的聚合物淬火剂，它在水中有逆溶性【4 j ， 即室温时溶于水，但温度升高时，p a g 从水中析出。p a g 逆溶析出时的温度称逆溶点，逆 溶点与聚合物分子量大小和分子中氧化物比例有关，一般在7 1 到8 8 之间。这种现象 提供了淬火时的冷却机制，即热金属淬冷肘在金属表面覆盖着一层聚合物膜，控制了使热 量被吸收到周围水溶液中去的速率，当金属工件表面冷却至逆溶点时，聚合物膜重新溶解 进入溶液。此外，加入水溶性酒精、乙二醇或带有2 7 个碳原予的乙二醇乙醚，可以改 进p a g 淬火剂的湿润特性。 p a g 聚合物淬火剂的冷却速度受浓度、使用温度和搅拌程度3 个基本参数的影响1 4j 。 一般说来，浓度越高，冷却速度越慢；使用温度越高，冷却速度越慢：搅拌程度越激烈， 冷却速度越快。搅拌的作用【1 4 】在于：使溶液浓度均匀；加强溶液的导热能力，从 而保证淬火后工件硬度高且分布均匀，减少产生淬火软点和变形、开裂的倾向。 聚丙烯钠( p 0 1 y a c r y l a t e s ) 可由丙烯钠直接聚合，或者由聚丙烯醚的碱性水解制成， 其分子式如图卜2 。聚丙烯( a c r ) 淬火剂是一种与p a g 完全不同的淬火剂，p a g 不能电离 或呈中性，而聚丙烯( a c r ) 聚合物被认为是阴离子的，带着负电，因此聚合物有很强的 极性。a c r 的极性不仅提供了水溶性，而且估计也使聚合物淬火剂以不同的吸取热量的机 制进行工作，这种机制可能与淬火剂的高粘度有关。通过改变聚合物的分子量，可以获得 介于水、油之间的范围很宽的冷却速度。同样，a c r 聚合物淬火剂的冷却速度与浓度、使 用温度和搅拌程度3 个基本参数有关。与p a g 不同，a c r 聚合物溶液没有逆溶点，即淬火 时工件表面上不形成聚合物膜。如其它聚合物淬火剂一样，a c r 溶液要求搅拌。a c r 也可 用于铝合金固溶处理后的淬火，以减少变形和歪扭。 图卜2 聚丙烯钠分子式 此外，用于淬火剂的聚合物还有聚乙烯醇( p v a ) 、聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 、聚乙基恶 唑啉( p e 0 ) 等。 1 2 5 乳化液 在一般情况下，矿物油与水是不能混溶的，为了使油能以微小液珠悬浮于水中，构成 稳定乳化液，必须添加乳化剂，使油水间产生乳化作用。另外，为了提高乳化液中矿物油 的润滑性，同样需要添加油性添加剂。因此，通常乳化液起码包含有基础汕( 一般为矿物 油) ，乳化剂，油性添加剂及水四种成分。 中南大学坝士学位论文 常见到的乳化液有两类j ，即水包油型( o w ) 以及油包水型( w 0 ) 。金属塑性加工 中使用的乳化液一般为水包油型。用于形成水包油型乳化液的乳化剂，主要是负离子性的 表面活性乳化剂。其中用得最早的是皂类，即长链脂肪酸盐。现以硬脂肪酸钠为例，讨论 一下乳化剂的作用机理。硬脂肪酸钠的分子式为c ；，h 。c o o n a ，其结构式如图一3 所示。由 图可见，整个硬脂肪酸钠分子由两个基端组成：非极性的亲油碳氢链基端和极性的亲水 c 。o n a 基端。由于这两个基端的存在，能使油水两相连一起，不易分离。因此，当油水混 合物中添加此类物质，并经搅拌之后，就可使油相呈小珠状弥散分布在水相中，构成水包 油型乳化液。 图卜3 硬脂肪酸钠巍化剡作用机理示意图 目前在有色金属加工中使用的油酸一三乙醇胺系乳化液，大致组分为：机油或变压器 油8 0 8 5 、油酸l o 1 5 及三乙醇胺5 左右。先把它们配制成乳膏( 剂) ，然后再根据 需要与占总体积9 0 9 7 的水搅拌，配成生产所用的乳化液。其中，水主要起冷却作用， 机油或变压器油为润滑基础油，油酸( c 。，h 。c 。0 h ) 既作为油性莉以提高矿物基油的润滑 性能，同时又与三乙醇胺通过反应形成胺皂，起到乳化剂的作用，歌得稳定乳化液。 乳液的形成过程是一个增加体系界面能和体系总能量的过程，是一个非自发的过程， 而乳液中液珠的聚结却是一个自发过程。因此，乳液是一种热力学不稳定的体系。为了尽 量减少这种不稳定程度，就要尽可能降低油一水界面张力，达到此目的的方法就是选择商 效的乳化剂。 1 2 6 气体淬火 使用气体淬火可提供快于空冷而慢于油冷的冷速【4j 。气淬时，经固溶处理的 高温工件直接放在气淬区或室内，而热量从金属表面被快速流动的气体很快地带 走。金属的冷却速度与工件表面积和重量有关，也和冷却气体的类型和速度有关。 冷却速度可以利用改变后两个参数进行调节与控制，这样可产生一种灵活性，只 有很少几种淬火介质能够获得这种灵活性。常用于淬火的气体包括氮气、氢气和 空气等。 1 2 7 压力喷溅淬火 作为一种淬火方法，压力喷溅淬火时i i ，采用高压喷射淬火介质，使其强 烈地喷射在工件上，通过控制喷射淬火介质的压力、流量和配比，调整其冷却能 力，促进均匀冷却，可获得表面硬度均匀且变形小的优质工件。其实，高压喷溅 淬火是工件浸淬搅拌的一种极端形式，因为搅拌也是工件与介质的相对运动阻不 中南火学硕士学位论文 ： 断带走热量，因此，采用压力喷溅淬火可获得大于盐水的冷却速度是可以理解的。 压力喷溅淬火可控制工件淬火过程中的工件冷却速度，而浸淬只能通过改变介质 温度、浓度、搅拌来控制淬火介质的冷却速度( 对淬火过程的冷却速度变化无能 为力) 。常用于压力喷溅淬火的介质包括水一空气、聚合物溶液等。 一般说来，各类淬火介质或方法冷却能力有如下关系： 静止空气 气淬 油 聚合物( 或乳化液) 水 盐水 淬火的表面点跟踪冷却曲线 ( c 1 ) ( c 2 ) ( 4 一a ) a q 2 5 1 ( 1 0 、2 0 ) 淬火的换热系数曲线 ( 4 - b ) a q 2 5 1 ( 1 0 、2 0 ) 淬火的表面点跟踪冷却曲线 ( d 1 ) ( d 2 ) ( 5 a ) a q 2 5 1 ( 1 0 、4 0 ) 淬火的换热系数曲线 ( 5 _ b ) a q 2 5 l ( i o 、4 0 ) 淬火的表面点跟踪冷却曲线 4 2 ( e i ) ( e 2 ) ( 6 - a ) a q 2 5 1 ( 1 0 、6 0 ) 淬火的换热系数曲线 ( 6 七) a q 2 5 l ( 1 0 、6 0 ) 淬火的表面点跟踪冷却曲线 4 3 ( f 1 ) ( f 2 ) ( 7