鋁合金厚板表面邊緣應力釋放的實驗研究

1、鋁合金厚板表面邊緣應力釋放的實驗研究梁旭坤1，袁海洋2，胡永會2（1.湖南信息職業(yè)技術學院，湖南長沙410200；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410083）摘要：采用X射線衍射法測試了淬火與鋸切后鋁合金厚板表面殘余應力的邊緣效應，得到了厚板表面邊緣區(qū)域殘余應力的分布區(qū)間和一般規(guī)律。結果表明，淬火與鋸切后厚板表面邊緣應力分布趨勢大體相同，但淬火工藝是一種劇烈的熱量交換及快速冷卻過程，邊緣應力分布呈現(xiàn)奇異性；而鋸切工藝是一種可忽略熱量

2、交換的慢速應力重構過程，應力分布較為均勻。另外，應力釋放范圍與板厚度有關，且應力釋放程度受改變初始應力分布狀態(tài)的工藝、板尺寸及約束方式影響。關鍵詞：X射線衍射法；鋁合金厚板；殘余應力；邊緣效應；淬火；鋸切中圖分類號：TG115.5；TG146.21文獻標識碼：AExperimentalstudyofsurfaceresidualstressrelaxationontheedgeofaluminumalloythickplateLIANG

3、Xukun1YUANHaiyang2HUYonghui2(1.HunanCollegeofInfmationChangsha410200China2.CollegeofMechanicalElectricalEngineeringCentralSouthUniversityChangsha410083China)Abstract:Surfaceresidualstressdistributionsgeneralrulesontheedg

4、eregionofquenchedsawedaluminumalloythickplateswereacquiredbyanalyzingstressesedgeeffectusingXraydiffractionmethod.Theresultsshowthatquenchingsawingcausesimilarresidualstressdistributiontrendsontheedgeofthethickplates.But

5、edgestressesdistributionafterquenchingdemonstratessomesingularitysincequenchingcontainshugeheatexchangerapidcoolingwhilestressesdistributionaftersawingisrelativelyunifmbecauseheatexchangeisnegligiblestressesreconstructio

6、nisslowinsawing.Inadditionstressrelaxationrangeisrelatedtotheplatethicknessthedegreeofstressrelaxationisinfluencedbytechnologieschangingtheinitialstressesdistributionsplatedimensionsconstrainttypes.Keywds:Xraydiffraction

7、methodaluminumalloythickplateresidualstressedgeeffectquenchingsawing圣維南原理（SaintVenant’sPrinciple）指出載荷的具體分布只影響載荷作用區(qū)附近的應力分布[1]。鋁合金厚板的表面應力分布也存在類似于圣維南原理的現(xiàn)象，可稱為邊緣效應，即厚板邊緣無約束或微弱約束附近區(qū)域將發(fā)生應力釋放，且釋放范圍只影響邊緣附近的應力分布[23]。本文采用X射線衍射法分別測

8、量7075高強鋁合金厚板經淬火與鋸切后的殘余應力邊緣效應，分析邊緣效應中應力釋放區(qū)域，即特征距離[4]與板厚，及應力釋放程度與改變初始應力分布狀態(tài)的工藝、板尺寸與約束條件等之間的關系，具有顯著的工程應用意義與價值。1試驗方案試驗用材為軋制7075鋁合金，主要成分如下（wt%）：銅1.6%、鎂2.5%、鉻0.23%、鋅5.6%，其余為鋁。初始試樣尺寸為120022030mm與120022040mm兩種，長度方向均為軋向。試樣熱處理過程為從

9、室溫開始，每小時升高100℃并保溫10分鐘，固溶溫度達到480℃后保溫2小時，采用水浴淬火。應力測量設備為加拿大Proto公司生產的iXRD型便攜式衍射儀，其應力測試誤差范圍為10MPa，基本測量參數(shù)為：Co靶，管電壓與電流為20kV與4mA，衍射晶面為（331），彈性常數(shù)為18.5606106。212S由于鋁合金厚板的對稱性與淬火的均勻性，將試驗應力測試點布置在板縱向與橫向中心線對稱的位置。首先，原始鋁合金厚板的表面應力測試點沿板長與

10、寬方向的點間隔分別定為100mm與40mm；之后，利用DK7732型電火花數(shù)控切割機床對兩種厚度板以軋向中心線對稱取料，取樣尺寸分別為1601603040mm，1201203040mm，80803040mm與50503040mm，并沿圖3鋁合金厚板試樣表面邊緣殘余應力演變：a）30mm，軋向；b）30mm，橫向；c）40mm，軋向；d）40mm，橫向Fig.3Surfaceresidualstressesdevelopmentsonth

11、eedgeofaluminumalloythickplate:a)30mmrollingdirectionb)30mmtransversedirectionc)40mmrollingdirectiond)40mmtransversedirection鋁合金厚板淬火冷卻過程時間短，劇烈的物理熱交換造成熱力耦合作用的復雜性，此時沿厚度方向每一材料層的應力狀態(tài)急劇變化：淬火初期呈現(xiàn)“外拉內壓”應力分布，淬火穩(wěn)定期逐漸向“外壓內拉”應力分布轉變

12、，并在淬火后期最終形成“外壓內拉”應力分布的格局[67]。整體應力分布在冷卻過程結束后達到平衡，但局部區(qū)域應力分布尚不均勻，存在應力奇點，如圖1所示；圖2則表明，受臨近材料約束，板邊緣應力尚來不及完全釋放，而且原始淬火厚板長度與寬度遠大于厚度，可近似為二維應力狀態(tài)，故沿軋向與橫向的應力釋放程度相當，應力釋放程度約為60%。相對于淬火，電火花鋸切過程中接觸范圍小、無切削力、冷卻條件良好且時間足夠長，故切割過程中鋁合金材料的熱效應可以忽略[

13、8]。切割后的試樣長寬與厚度數(shù)量級相當，理論上呈現(xiàn)出較強的三維應力分布狀態(tài)，但限于試驗條件與工程需要，一般仍簡化為二維應力。充足的時間成為應力完全釋放的必要條件，但由于臨近材料的約束方向不同也導致應力釋放程度的不同，且試樣長寬越接近厚度大小，則應力釋放越明顯。如圖3所示，與切縫垂直與平行方向的應力演變規(guī)律相似，但由于與切縫法向同向的應力失去了其主要約束，應力釋放程度可達100%；而與切縫同向的應力只失去了其次要的約束，應力釋放程度略小，

14、不同大小試樣的應力釋放程度約為30%至60%。但淬火與鋸切后厚板表面應力的邊緣效應影響的范圍相同，即應力釋放區(qū)域不受改變初始應力分布狀態(tài)的工藝影響。且隨著距離的增加這一應力釋放的效應逐漸減弱，上述的邊緣部分可視為應力分布的不均勻區(qū)域，定義為“特征距離”。試驗結果則表明，“特征距離”與板厚度大致相當（略小一些），超過這一距離之后，試樣表面應力幾乎保持為原始分布狀態(tài)，與切割前相比變化很小甚至不變。3結論鋁合金厚板表面殘余應力分布具有明顯的邊

15、緣效應。受改變初始應力分布狀態(tài)的工藝、板長寬相對于厚度的大小及臨近材料約束方式的影響，淬火與鋸切后邊緣應力的釋放程度不同，但應力分布的邊緣效應影響的區(qū)域，即“特征距離”與板厚度大致相當。參考文獻[1]姚偉岸.平面各向異性哈密頓體系及圣維南問題的解析解[J].大連理工大學學報199539(5):612615.[2]胡永會吳運新陳磊等.X射線法測量淬火鋁合金厚板表面殘余應力[J].中國材料進展201130(2):5155.[3]郭俊康吳運新

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