鋁合金厚板淬火-預(yù)拉伸內(nèi)應(yīng)力形成機理及其測試方法研究.pdf

1、超高強鋁合金厚板是重要的航空工業(yè)材料，也是國家“大飛機”項目薄壁構(gòu)件板坯的主要用材，因而對制備過程中材料組織均勻性、機械性能和內(nèi)應(yīng)力水平的控制都有著極高的要求。內(nèi)應(yīng)力又稱殘余應(yīng)力，是生產(chǎn)制備過程中不可避免的平衡于材料內(nèi)部的彈性力，是塑性變形不均勻的必然結(jié)果。工程中，殘余應(yīng)力對厚板的使用與加工有很大負面影響，例如板內(nèi)應(yīng)力致使板材淬火斷裂、材料內(nèi)部缺陷、預(yù)拉伸厚板加工扭曲變形等，既影響了成材率，也造成后續(xù)構(gòu)件的加工精度難以達到要求。因此，開

2、展對厚板應(yīng)力形成機理與測試方法的研究具有十分重要的意義。本文以高強鋁合金7075軋制厚板為研究對象，圍繞厚板淬火-預(yù)拉伸殘余應(yīng)力的形成、分布與演變規(guī)律，從理論分析到實驗研究，建立了殘余應(yīng)力形成過程熱-力準耦合數(shù)學(xué)模型和有限元仿真模型，揭示了殘余應(yīng)力場形成的宏微觀機理和分布規(guī)律，并研究了準確求取厚板殘余應(yīng)力的測試方法。
　　 運用彈塑性力學(xué)、熱力學(xué)和有限元理論方法，分析了厚板淬火熱傳導(dǎo)過程中殘余應(yīng)力的形成，以及預(yù)拉伸塑性變形對材料

3、應(yīng)力場的演變，并對兩者物理過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進行了較為完整的數(shù)學(xué)描述。同時，將應(yīng)力連續(xù)變化過程離散為有限元數(shù)學(xué)模型，通過非線性有限元軟件MSC.Marc建立了厚板淬火-預(yù)拉伸應(yīng)力場有限元仿真模型。研究過程中，提出用離散解析方法求解換熱系數(shù)，解決了模型熱邊界條件的求取問題，以便分析淬火溫度與換熱強度之間的關(guān)系。
　　 運用材料學(xué)和晶體變形理論，展開了對厚板淬火-預(yù)拉伸殘余應(yīng)力形成機理和演變過程的研究，從宏觀塑性變形的差異，到局部

4、微觀組織表現(xiàn)的各向異性特征，揭示了厚板應(yīng)力形成的本質(zhì)在于塑性變形或局部變形的不均勻和不一致性所致。文中運用典型微結(jié)構(gòu)抽象模型分析方法，分別對不同微區(qū)結(jié)構(gòu)中晶粒相互作用形式，進行了微觀應(yīng)力不均勻和變化波動演變機理的分析，較好地揭示了微區(qū)應(yīng)力變化波動現(xiàn)象。通過有限元仿真和實驗計算，研究歸納了厚板殘余應(yīng)力形成與演變的一般規(guī)律，包括預(yù)拉伸板應(yīng)力“M”雙峰型分布形成原因、預(yù)拉伸板鋸切區(qū)范圍討論等。同時，探討了拉伸狀態(tài)非對稱因素對預(yù)拉伸厚板應(yīng)力場分

5、布的影響，如拉伸夾鉗失效問題、厚板裂紋缺陷問題等，提出了可供參考意見和建議。
　　 為了獲得厚板真實應(yīng)力場，將積分算法引入到層削實驗方法中，構(gòu)建內(nèi)應(yīng)力計算數(shù)學(xué)模型，求取厚板深度應(yīng)力場。同時，借助相應(yīng)的銑削仿真與實驗研究，提出層削實驗應(yīng)力計算的修正方法，提高了測試方法的正確性。進一步，總結(jié)了積分型層削法特點，分析層削實驗計算的誤差來源，求得其應(yīng)力計算總不確定度小于10MPa，證明積分型層削法具有較高的計算精度。同時，為揭示厚板取樣

6、對測試的影響機理，研究了厚板取樣過程中存在的應(yīng)力分布非均勻特征，實驗結(jié)果表明：取樣平面尺寸大于2～3倍板厚對保證測試穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，而常規(guī)取樣和實驗加工方法對測試結(jié)果的影響很小。
　　 為保證測試結(jié)果的正確性和測試方法的可靠性，建立了仿真-實驗綜合方法，多層次互補地實現(xiàn)對厚板應(yīng)力場的準確描述，該方法包括X-ray表面應(yīng)力測定、應(yīng)力場有限元仿真、力學(xué)實驗測試方法。X-ray衍射測試用于標定厚板表面應(yīng)力，修正換熱邊界條件，使有限元仿

7、真模型計算結(jié)果能較好反映實際應(yīng)力分布。同時，為揭示層削實驗中變形累積增大的誤差根源，構(gòu)造層削實驗應(yīng)力計算修正函數(shù)，為完備實驗測試方法的正確性研究提供依據(jù)。
　　 借助實驗測試方法，完成對不同規(guī)格、不同狀態(tài)下厚板殘余應(yīng)力的測試分析，結(jié)果表明：(1)淬火應(yīng)力分布主要取決于淬火強度，沿深度兩平面應(yīng)力的分布狀況基本相似。(2)預(yù)拉伸應(yīng)力評估的結(jié)果顯示，內(nèi)部最先塑性變形是整個厚板應(yīng)力消減的關(guān)鍵點，綜合考慮消減效果和拉伸效率，1.8％～2.

8、5％拉伸量是一個合適的拉伸范圍。(3)預(yù)拉伸板應(yīng)力水平基本處于±20MPa左右，說明預(yù)拉伸工藝對厚板殘余應(yīng)力分布有一定均化作用。(4)積分型層削計算方法能準確測得厚板應(yīng)力場分布，尤其對預(yù)拉伸板這類低應(yīng)力測試對象，仍能較客觀地反映厚板應(yīng)力分布，說明上述測試方法的研究成果能夠用來解決厚板應(yīng)力場測試問題。
　　 本文得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“高性能鋁材與鋁資源高效利用的基礎(chǔ)研究”，其中第八子課題“大規(guī)格鋁材非均勻多相組織和內(nèi)