X射线法测量淬火铝合金厚板表面残余应力

采用无损X射线衍射技术测试了7075铝合金厚板淬火后表面残余应力水平与分布,得到了淬火铝合金厚板表面残余应力的分布区间和一般规律,分析了准直管对测试结果的影响,并与中心钻孔法得到的结果做了比较。结果表明,两种方法都能有效并正确测量构件的表面残余应力,但中心钻孔法不适合用于应力梯度大的场合,而X射线法在无应力或原始应力水平很低的场合效果欠佳。淬火铝板表面残余应力的测试结果呈正态分布,且淬火过程中边缘局部有应力释放,释放值可达40%,且此区域大小约为铝板的一个厚度。     

应力梯度对7075铝合金残余应力松弛的影响

分别采用淬火强化和表面喷丸强化工艺对7075高强铝合金试样引入结构和表层集中残余应力,研究循环载荷下具有不同残余应力状态的铝合金试样表层残余应力松弛规律.结果表明,淬火引入了单调的表面残余应力和显微硬度,而喷丸引入了表面残余应力梯度和显微硬度梯度.残余应力沿试样厚度方向分布的应力梯度为应力松弛的主要影响因素,可用于表征应力松弛程度.喷丸引入的表层残余应力均匀且梯度大,主要发生应力松弛;而淬火引入非均匀的结构应力且梯度较小,主要发生应力重分布.     

降低7075铝合金厚板淬火残余应力的工艺

7075铝合金可通过淬火时效获得高强度，但它在淬火过程中会产生淬火残余应力，本文对7075铝合金厚板在不同淬火水温下，以及某一水温下淬火后经不同预拉伸量和不同时效工艺制度下淬火残余应力大小及变化规律进行了测试与分析，结果表明：随着淬火水温的升高，残余应力明显降低；水淬后随着预接拉伸量的增加，残余应力逐渐从压应力转变为拉应力，当预拉伸量约2%时，残余应力基本上趋近于零；随着时效温度升高和时效时间延长，残余应力呈下降趋势，因此，合理的淬火水温，预拉伸量以及时效制度是降低7075铝合金厚板淬火残余应力的有效工艺措施，其中尤以适当的淬火水温和预拉伸量最为有效。     

7075铝合金厚板预拉伸模拟分析及其在淬火残余应力消除中的应用

运用有限元软件ABAQUS, 对7075铝合金板材淬火过程进行了模拟.比例件的加工变形表明淬火模拟所得的残余应力是可信的.在获得淬火残余应力的基础上, 模拟了不同预拉伸量对毛坯的淬火残余应力的消除.结果表明: 拉伸量为3%时, 毛坯产生2.1%～2.6%的永久变形, 残余应力消除量约为86%, 完全符合航空铝合金厚板生产工艺的规定.     

7075铝合金预拉伸板淬火后残余应力的有限元模拟

运用有限元软件MSC.MARC对7075铝合金板材淬火过程进行模拟.在获得淬火残余应力的基础上,假设钳口夹持区域为理想刚端,根据材料力学、金属塑性变形等基本原理,利用有限元数值模拟计算方法,建立起该状态下的预拉伸模型.模拟了不同预拉伸量和不同拉伸速度对削减毛坯淬火残余应力的影响以及计算了钳口夹持区域的锯切量.结果表明:拉伸量为3%时,残余应力消除量约为96%,锯切量为21.6%,完全符合航空铝合金厚板生产工艺的规定.     

预拉伸变形量对7055铝合金厚板表面残余应力的影响

为了系统性地研究预拉伸变形量对淬火残余应力的消减规律,采用基于cosα法的μ-X360s型X射线残余应力分析仪,表征7055铝合金厚板经不同预拉伸变形量(0%、0.5%、1.2%、1.5%、2.5%、3.3%、3.9%)的表面残余应力水平,并通过基于sin²Ψ法的X射线衍射法和钻孔法验证测试结果。结果表明:7055铝合金厚板经过固溶淬火处理后,残余应力水平较高,轧向分应力略小于横向分应力,在厚板边缘区域残余应力水平波动较大,波动区域大约在距边部27mm的位置。当预拉伸变形量为1.5%时,轧向分应力的明显减小,继续增大拉伸量,残余应力稳定在-60～-70 MPa;而当预拉伸变形量大约为1.5%时,横向分应力由压应力状态转变为拉应力状态;经超过2.5%的预拉伸变形后,残余应力稳定在20～30 MPa。     

试样尺寸对淬火铝合金厚板残余应力的影响

通过测量从淬火铝合金厚板上取出的一定大小的试样以测量原始铝合金厚板的残余应力值作为一种广泛使用的方法,在层削法、裂纹柔度法、X射线衍射法和中子衍射法中均有应用.以层削法为例,针对由于采用不同尺寸的试样而对7075铝合金厚板残余应力测量结果产生的影响进行了仿真分析和实验研究.结果表明,取样的尺寸对铝合金厚板残余应力的测量结果有重要影响.当试样在长宽方向上的尺寸小于2倍的"特征距离"(等于试样的厚度)时,试样将丧失保持原铝合金厚板真实残余应力的能力.测量结果将严重偏离真实值.基于此,在任何针对淬火铝合金厚板的残余应力测量方法中.当需要使用一定大小的试样对原铝合金厚板残余应力进行测量时,都必须保证试样在长宽方向上的尺寸大于2倍的"特征距离".     

铝合金厚板淬火-预拉伸残余应力的有限元仿真

利用MSC.Marc非线性有限元软件建立了一个淬火-预拉伸模型,并利用该模型对7075铝合金厚板进行了仿真研究。仿真结果表明,对于7075铝合金的最佳拉伸量为2.0%～2.5%,预拉伸后板内残余应力降低幅度可达90%以上,且残余应力分布形式由淬火态的"M"型演变为预拉伸后的"W"型;随着拉伸量的增加铝板内塑性变形合格的区域逐渐增加,可利用预拉伸中的等效应力分布状态确定锯切区。若提供适当的残余应力测试结果,利用有限元仿真模型可有效地揭示铝合金厚板淬火-预拉伸内部残余应力的演变规律。     

X射线衍射法在测量铝合金厚板表面残余应力中的应用

X射线应力测量法是广泛应用的无损应力测量方法,本试验研究了X射线衍射法测量铝合金厚板表面残余应力。对7075淬火铝合金厚板的表面残余应力进行测量,得到了7075淬火铝合金厚板表面残余应力的分布区间和一般规律,并对表面残余应力分布的边缘效应进行了探讨。     

X射线衍射法测量铝合金残余应力及误差分析

在介绍了X射线衍射法测量残余应力基本原理的基础上,以7075铝合金板材为实验对象,Photo公司的X射线衍射仪为实验仪器,采用不同的方向和衍射角对水域淬火后的7075铝板的表面残余应力进行测试,对测试结果进行处理并分析了应力产生的原因,提出了针对各种原因的解决方法。发现在单一方向上测量结果的线性和相关性在一端较好,另一端偏差较大,而相反方向时则相反。实验结果表明,从两个方向测定可减少应力测试误差;当测定值2θ的距离差平方和越小,自变量sin2ψ的间距越大,测试点越多且直线性越好,则应力测定误差越小;较长的曝光时间和合适的表面处理可以提高测试精度。     

7075铝合金预拉伸板消除残余应力的试验研究

铝合金预拉伸厚板是现代航空工业的重要结构材料，但厚板淬火残余应力的存在不仅使其在机加工过程中易出现翘曲变形，而且也明显降低材料的动态使用性能加KIC、KQC、抗腐蚀和疲劳性能。对7075铝合金厚板淬火时残余应力的分布进行了试验研究，结果表明：通过控制淬火介质的温度，能有效降低淬火后厚板中的残余应力。此外，通过分析淬火过程中残余应力的产生机理，提出了两种降低淬火过程中残余应力的新方法。     

7075铝厚板内淬火残余应力的形成机理分析与控制策略

残余应力在材料去除后的释放与再分布是引起飞机结构件加工变形的重要因素。而淬火过程中,铝合金厚板内部产生高温度梯度场,由其造成的不均匀塑性变形是形成淬火残余应力的关键所在。为此,通过作为表示工件与介质之间换热能力的对流换热系数,建立了淬火工艺的有限元分析模型,与实验结果的比较分析表明,无论是残余应力幅值还是分布趋势,仿真值均有很高的吻合度。在此基础上,利用有限元方法进行了淬火残余应力的形成机理,认为芯层在终滑点塑性变形结束时最终的残余应力已经形成,之后继续降温过程残余应力基本保持不变。最后以芯层终滑点为依据提出了热换系数的残余应力控性控形方法。从分析结果可知,控形区对最终残余应力的影响很大,控性区段基本不影响最终残余应力。因此,可以通过合理降低控形区邻域和增加控性区邻域内对流热换系数的方法,实现冷却速度的增加和残余应力的减少。     

水温对7075铝合金模锻件淬火应力场影响的数值模拟

研究了水温对该合金模锻件淬火应力场的影响,分别计算了水温15℃、25℃和35℃时的淬火应力场.结果表明:淬火水温不同时,该模锻件的淬火应力场均呈环状分布;随淬火水温的升高,淬火终冷时间缩短,淬火应力的最高值降低;较优的淬火水温应为35℃.     

基于应力不确定性最小化法的7075铝合金板内部残余应力检测

采用裂纹柔度法测试残余应力时,柔度甬数的计算和插值函数阶数的选择对计算结果的精确性有较大影响.采用有限元法计算得到测试试样的裂纹柔度函数,考虑应力计算不确定度的两个主要来源:应变测量数据的随机误差和模型误差;基于应力总不确定度的最小化目标,确定最优的插值函数阶数,进而计算得到7075铝合金淬火板内部残余应力的分布.结果表明:分别采用11阶和9阶勒让德多项式能较好地拟合铝合金板材内部轧向和横向残余应力的分布,不确定度的均方根值分别为2.9015MPa和4.7558 MPa.轧向或横向残余应力都呈明显的外压内托的分布规律,且在板厚度的中面出现局部的残余拉应力的最小值.     

铝合金厚板表面边缘应力释放的实验研究

采用X射线衍射法测试了淬火与锯切后铝合金厚板表面残余应力的边缘效应,得到了厚板表面边缘区域残余应力的分布区间和一般规律。结果表明,淬火与锯切后厚板表面边缘应力分布趋势大体相同,但淬火工艺是一种剧烈的热量交换及快速冷却过程,边缘应力分布呈现奇异性;而锯切工艺是一种可忽略热量交换的慢速应力重构过程,应力分布较为均匀。另外,应力释放范围与板厚有关,且应力释放程度受改变初始应力分布状态的工艺、板尺寸及约束方式影响。     

厚板焊接温度场和残余应力场的数值模拟

运用有限元计算软件ABAQUS,对10 mm厚钢板电子束焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟.有限元模型中选用三维实体单元,采用非耦合方法,并考虑了材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响.针对电子束焊接热源的特点采用移动体积生热的高斯锥形分布的模式来模拟匙孔效应.温度场计算结果表明,焊件热影响区狭窄.计算结果分别给出了焊缝部位上、中、下表面的纵向、横向和板厚方向残余应力分布.结果表明,焊缝区大部分区域三个位置的应力无显著差异,但是在起焊点和收焊点三处应力存在显著差异;焊缝区残余纵向拉应力分布在焊缝两侧各20mm区域,最大值达到材料屈服应力.残余应力的分布与厚板焊接理论相一致.     

交变载荷对铝合金板表面残余应力的影响

采用铣削法在7075铝合金退火板表面引入初始残余应力,研究了交变载荷加载状态下表面残余应力的演变规律,并基于包辛格效应和塑性变形理论讨论了交变载荷加载状态时残余应力松弛机理.结果表明:交变载荷对铝合金板表面残余应力松弛的影响主要取决于加载应力与残余应力的矢量叠加;交变载荷对残余应力松弛主要在第一个作用周期;当加载周期增大到一定程度后,交变载荷比单向载荷对残余应力的松弛效果更好.