6061铝合金预拉伸板：改善残余应力

7.1.5.1　实验部分

6061铝合金属于Al-Mg-Si系合金，具有优良的耐蚀性、可焊性和成形性等，被广泛应用于工业生产中。6061铝合金为可热处理强化合金，经过热处理可获得很高的力学性能，但在固溶处理-淬火过程中将出现较严重的淬火残余应力，残余应力的存在严重地影响着材料的后续加工使用。对于铝合金板材通常采用预拉伸工艺消减残余应力，即板材在淬火后进行一定变形量的拉伸以消减淬火过程中产生的残余应力。目前，国内相关生产企业对铝合金板材进行预拉伸消减残余应力时，拉伸量的选取仅仅沿用国外数据，缺乏对板材残余应力的消减效果与拉伸量匹配关系的研究。而对于不同合金、规格的铝合金选用的拉伸量不匹配，将造成板材后续加工中变形严重。据悉，某厂生产6061预拉伸板，其拉伸量给定仅规定了1.5%～3.0%的拉伸范围，未根据板材规格进行给定拉伸量的调整，导致铝合金预拉伸板因残余应力过大，在使用及加工过程中变形严重。因此，亟须对相应厚度规格的预拉伸板拉伸量与残余应力匹配关系进行研究。结合工业化生产实际状况，文献［14］作者对经不同拉伸量的典型厚度规格（60 mm）的6061铝合金预拉伸板进行残余应力测量，分析其残余应力消减效果与拉伸量之间的关系，为得到加工变形较小的铝合金板提供参考。

1）实验方案

选取三块由同一生产工艺制备的60 mm厚6061预拉伸板作为实验材料。在板材淬火后，分别对其进行1.5%、2.0%、2.5%的预拉伸。然后用ZDL-Ⅱ型钻孔装置在每张板材上钻取两个孔，使用DRA-30A动静态应变仪分别测量其长度方向及宽度方向的残余应力值，获得该合金、规格下最小残余应力对应的拉伸量。并将实验所得较优拉伸量应用于工业化生产，跟踪用户加工变形情况，验证该拉伸量的适用性。

2）实验材料

实验用某厂生产的60 mm厚6061铝合金厚板作为实验材料。这三块预拉伸板材均采用同一生产工艺制备，其生产工艺为铣面-加热-轧制-淬火-拉伸，其预定拉伸量见表7-5。

表7-5　实验材料

3）实验设备

ZDL-Ⅱ型钻孔装置见图7-36；DRA-30A动静态应变仪见图7-37；另有计算机及其他配套导线。

图7-36　ZDL-Ⅱ钻孔装置

图7-37　DRA-30A动静态应变仪

4）测量过程(www.xing528.com)

铝合金板材表面处理→将专用箔式应变花粘贴于铝合金板材表面→应变花连接到应变仪上并调零→钻具安装在构件上并对准应变花中心→钻孔和扩钻→分两次读取释放应变值→计算残余应力。

7.1.5.2　实验结果

1）测量结果

实验结果如图7-38所示，60 mm左右厚度规格的6061铝合金厚板，经1.9%左右的拉伸量后其残余应力值较小。

图7-38　不同拉伸量与残余应力值

2）适用性验证结果

根据实验结果，将60 mm左右厚度（55～68 mm）的6061铝合金厚板拉伸量设定为2.0%，进行该合金、规格的生产验证。共对36批60 mm左右规格的6061预拉伸板进行了实验，其实际拉伸量为1.8%～2.1%，经使用证明其加工变形程度与进口材料相当。工业化验证结果表明：对60 mm左右规格的6061预拉伸板来说，采用1.9%左右的拉伸量，其残余应力消减效果较好。

7.1.5.3　分析与讨论

对于铝合金而言，淬火残余应力主要是冷却时巨大的温度梯度引起的热应力。淬火刚开始时，加热后的板材快速进入淬火区（水淬），此时由于板材表层金属冷却速率比内层金属大，表层金属骤冷急剧收缩，由于板材的整体连续性，故表层金属产生拉应力、内层金属产生压应力；随着板材的进一步冷却，最终是内层金属骤冷急剧收缩，使应力重新分配，最后导致表层金属残余有压应力，内层金属残余有拉应力。淬火后板材的残余应力大小、分布，与金属特性、淬火前应力分布、淬火温度、冷却速度等因素密切相关。也即不同合金经不同的轧制、淬火等工艺，其表层及内层残余应力是不相同的。本次实验所选的三块材料均采用同一铸锭、同一生产工艺，其淬火后板材残余应力是一致的，因此，通过检测经不同拉伸量的板材的残余应力状况，可验证拉伸量对残余应力的消减效果。

对淬火后的板材进行预拉伸的实质是，通过外加拉伸力与原来的淬火残余应力相互作用发生新的塑性变形，使残余应力释放和消减，并达到新的内应力平衡。对淬火后的板材进行拉伸，无论是受压应力的表层金属还是受拉应力的内层金属，它们在受到外力的作用后都将发生变形，当给予的拉伸力超过该金属的弹性极限后，就发生塑性变形。随着拉伸的不断进行，表层金属由压应力逐步转变为拉应力，而内层金属一直受拉应力的作用。当拉伸量达到一定值后松开夹具，铝合金板会发生弹性回复，只留下塑性变形，在回弹过程中，应力会被释放。拉伸量太小，板材仅做弹性变形或较小的塑性变形，其塑性变形产生的应力不足以抵消原有的淬火残余应力，残余应力值仍较大。随着拉伸量的增加，当拉伸量到某恰当值时，理论上其残余应力可接近于0 MPa。拉伸量继续增加，板材的过量塑性变形会产生额外的应力叠加，从而使最终的残余应力消减效果减弱。因此，要获得较好的残余应力消减效果，必须合理地匹配预拉伸时的拉伸量，过大或过小的拉伸量给定，其残余应力消减效果均不理想。本实验中1＃板材实际拉伸量为1.5%，其长度方向残余应力36.84 MPa，宽度方向残余应力60.68 MPa，残余应力值较大，主要是塑性变形较小，回弹过程中应力释放不够充分。2＃板材实际拉伸量为1.9%，其长度方向残余应力26.78 MPa，宽度方向残余应力46.02 MPa，残余应力值较小，这是由于塑性变形适中，塑性变形引起的新应力较好地抵消或消减了原有的淬火残余应力。3＃板材实际拉伸量为2.4%，其长度方向残余应力55.97 MPa，宽度方向残余应力87.84 MPa，残余应力值较大，这是因为在内应力处于平衡状态时继续增加拉伸量，过量塑性变形产生了额外的应力叠加，从而使最终的残余应力消减效果减弱。从残余应力测量结果（图7-38）及生产验证结果均可以明显看出，对于60 mm厚度的6061铝合金厚板，采用1.9%左右的拉伸量，其残余应力消减效果较好。