深冷处理消除铝合金残余应力的研究

刘子建，张 状

（1.辽宁工程职业学院 辽宁 铁岭 112000；2.北京理工大学 北京 100081）

0 前言

铝及铝合金具有密度小、比强度高和耐腐蚀等优良性能，且易于加工、储量丰富的特点，在航空航天、机械和汽车制造业等领域得到了广泛的应用[1]。但铝合金构件在快速淬火过程中获得高强度高韧性的同时．造成表面与内部巨大的温差，从而在构件内部产生很大的残余应力，在后续机械加工中，由于内应力的作用会使再加工后的零件发生变形，影响零件的尺寸精度，限制了铝合金的应用范围[2]。本文通过深冷处理对铝合金性能影响的研究，找出消除铝合金残余应力的有效方法。

1 实验

1.1 试件制作

试件材料：7050铝合金，截取尺寸：30mm×30mm×45mm。成分为(质量分数%)：Zn6.20，Mg2.10，Cu2.00，Mn 0.10，Fe 0.15，Si0.12，Cr＜0.04，Ni 0.05，Ti 0.06，其余为Al。

1.2 试验方法

先将试件在500℃左右空气循环炉中固溶处理2h，淬入25℃的静水中，然后放入温度为-196℃液氮深冷箱中进行深冷处理，冷却10～40min左右，迅速取出放在高温有机介质中进行上坡淬火。加热时间约10～20 min，深冷处理结束后马上进行分级时效处理，最后于温度为20℃左右的室温下空冷，如此反复几次，如图1。

图1 铝合金的深冷处理工艺

2 工艺参数对应力的影响

使用X350A型X射线残余应力分析仪进行残余应力分析，测量试件上下表面中心点处的残余应力。在X350A型X射线残余应力分析仪上，测量每个试件上下表面中心点处的残余应力。用全相关函数法定峰值，采用与设备配套的残余应力分析软件自动处理，直接输出结果。

2.1 温度对消除应力的影响

结果表明：铝合金试件上残余应力在-196℃液氮中随着保温时间的增加而下降，但30min以后应力消除效果随时间的增加维持不变；而试件在高温有机介质中随着保温时间的增加，应力呈现先大幅下降而后又缓慢上升的变化规律。深冷处理时急热温度差愈大，应力消除效果愈好。因此，为得到最佳残余应力消除效果，深冷处理时在液氮和高温介质中存在一个最佳保温时间段，如图2。

图2 温度对消除应力的影响

2.2 循环次数对消除应力的影响

实验结果显示，深冷处理的次数对应力的消除有影响（如图3），第一次循环效果最为显著，第2、3次循环应力消除增强效果已不明显，再增加循环次数已无必要。为保证残余应力消除的效果最好进行两次深冷处理。因为经二次深冷可以最大限度地改善材料的力学性能，细化晶粒，经二次深冷后，材料的组织将不再发生变化。

图3 循环次数对消除应力的影响

3 深冷处理机理

3.1 深冷过程分析

淬火阶段初期，表面冷却速度远大于内部，必然导致表面收缩速度大于内部，表面就会受到内部材料的拘束而呈现拉应力状态，与此相反，内部受到来自外表面的压应力，伴随淬火状态的继续深入，内部冷却速度逐渐增大并超过表面冷却速度，导致应力状态反转，呈现“外压内拉”状态。

液氮降温前期，表面冷速比内部快，因而表面收缩速度大于内部收缩速度，表面就会受到来自内部材料的拘束呈拉应力状态，与此相反，内部受到来自表面给它的压应力，呈“外拉内压”状态，与淬火后的“外压内拉”式的残余应力分布相反，相互抵消，所以液氮降温开始阶段应力变小，随着降温的继续进行，内部冷却速度逐渐增大超过表面冷却速度，产生“外压内拉”的热应力，抵消了开始阶段产生的“外拉内压”的热应力，与淬火后的“外压内拉”式的残余应力叠加，故应力逐渐增大，最终仍呈现“外压内拉”分布，此阶段冷却缓慢，其值比淬火结束时略大。

反淬火加热阶段初，内部升温速度逐渐增大超过表面升温速度，产生“外拉内压”的热应力，抵消了开始阶段产生的“外压内拉”的应力，与液氮降温后的“外压内拉”分布相反，应力逐渐变小，是消除残余应力的主要阶段。

空冷阶段与液氮降温阶段相似，即开始产生“外拉内压”的热应力，伴随降温的深入，产生“外压内拉”的热应力，所以应力先变小后增大，但由于内外温差不大，冷速较小，所以其应力增长不大。

3.2 机理分析

3.2.1 晶粒细化

深冷处理使组织晶粒细化，类似于碳钢的从马氏体中析出超细碳化物，产生弥散强化，从而使工件的强度和韧性有很大提高。深冷处理后体积收缩，晶格常数有缩小趋势，同时晶粒细化使试件有更大的尺寸收缩，造成较大的内应力，产生更多的缺陷及内能的增大。残余应力与原子动能深冷过程中容易在工件缺陷（微孔）、内应力集中的部位及空位表面产生残余应力，它可以减小缺陷对材料局部强度的损害，导致磨料磨损抗力的提高。由于原子间既存在相互吸引的结合力，又存在使之分离的动能，深冷处理转移了原子间的部分动能，使原子之间的结合更紧密，提高了材料的强度和韧性，起到缓和残余应力效果[3]。

3.2.2 晶粒转动

铝合金深冷处理过程中由于体积收缩使得材料内部产生了大量的位错和亚晶等，在深冷回复过程中铝合金产生了回复再结晶，铝合金的晶粒发生转动，择优取向形成了再结晶织构。结果使得铝合金晶粒发生偏转，择优取向，当晶粒的这种择优取向有利于阻碍位错滑移时，材料的强度性能、使用寿命、尺寸稳定性得以提高。

4 结论

铝合金深冷处理能在很大程度上消除残余应力，提高工件的尺寸稳定性。实验表明，深冷介质中停留时间对应力消除有一定影响，高温有机介质中保温时间对应力消除效果影响很大。与加热阶段的温差越大，应力消除越彻底；深冷急热循环两次对残余应力消除效果较好，继续增加循环次数意义不大。深冷处理的机理是：深冷处理的不同阶段，内外部的应力状态不同，应力作用效果可以部分相互抵消，起到消除残余应力的作用。同时工件内部产生了晶粒细化和择优转动，也起到了缓和应力的作用。

[1] 颜增品．铝在汽车轻量化中的作用与前景[J]．世界汽车，1997，28(6)：l 7-21

[2] 邱庆忠．深冷处理技术在金属材料中的应用[J]．材料研究与应用，2007，(6)：150-152

[3] 安丽丽，李士燕．深冷处理对冷冲压模具钢Crl2MoV力学性能影响的研究[J]．机械研究与应用，2003，16(1)：12-13