高强度铝合金看看这个：高强度铝合金深冷处理技术

单位:首都航天机械有限公司

高强度铝合金因其低密度、高强度、良好的韧性和耐腐蚀性、优异的可加工性和焊接性等综合性能，已广泛应用于航空空航天、机械和汽车制造。大多数高强度铝合金材料需要通过热处理获得高强度和高韧性来满足使用要求。在热处理和强化过程中，快速淬火和冷却使材料内部产生巨大的温差，冷却后在构件内部形成较大的残余应力。在加工、储存和长期使用过程中，残余应力会释放和松弛，从而导致零件精度超差或尺寸不稳定等问题。目前降低和消除残余应力的方法主要有时效处理、振动时效处理、深冷处理、机械拉伸(压缩)等。

深冷处理工艺，也称上坡淬火或反向淬火，按工艺可分为深冷快速加热法和冷热循环法，可广泛用于降低和控制铝合金构件的残余应力。本文对国内外铝合金深冷处理的研究和应用进行了总结和分析，并对不同类型铝合金工件深冷处理的工艺选择和应用场合进行了探讨。

1.残余应力的产生

工件在没有外力作用下保持工件自身平衡而存在的应力称为残余应力。一般来说，铝合金在淬火过程中不会发生结构转变，因此其构件的残余应力主要来自淬火冷却过程中的热应力，应力的演变过程如图1所示。

热应力是由材料不同部分的温差引起的热膨胀和/或冷收缩不一致而产生的应力。2D内外层简化模型，淬火冷却前(见图1a)，材料内部温度均匀，长期高温条件下无热应力；在淬火冷却初期(见图1b)，铝合金工件进入淬火冷却介质后，由于金属表面与淬火冷却介质温差大，表层温度迅速下降，而由于内部热传导，温度缓慢下降，导致表层与芯部温差巨大。在热胀冷缩的作用下，工件体积因温度下降而收缩，表面温降多，芯温降少，体积收缩少。由于内外收缩的差异，产生相互作用力。此时，由于中心抵抗的收缩力，表面生长，所以外部拉应力和中心压应力。在应力的作用下，芯金属由于温度较高、屈服强度较低而发生塑性变形，从而释放出一部分应力。

在淬火冷却的第二阶段(见图1c)，由于金属的表面温度已经很低，与淬火冷却介质的热交换较少，此时表面温度下降缓慢。但内层金属与表层的温差较大，内层金属的温度下降速度比表层快，使得表层收缩较小，而核心收缩较多。内层和外层之间的约束力减小，这减小了内应力。表层温度低于核心，但内应力为零。

随着工件继续冷却(见图1d)，当金属内部温度也降至较低温度时，零件整体抗变形能力提高，芯金属温度下降，产生比表面金属更大的收缩，受表面金属约束，整体无法产生塑性变形，内应力也不会降低。这种应力保留在工件内部，最终导致工件表面的压应力和铁芯上的拉应力的残余应力状态。