7075鋁合金循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力松弛的實驗研究

胡永會,吳運新,郭俊康

(中南大學機電工程學院,湖南 長沙 410083)

7075鋁合金循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力松弛的實驗研究

胡永會,吳運新,郭俊康

(中南大學機電工程學院,湖南 長沙 410083)

胡永會

采用淬火和噴砂2種強化工藝引入殘余應(yīng)力,分析循環(huán)應(yīng)力作用下7075鋁合金應(yīng)力松弛現(xiàn)象?；趹?yīng)力松弛機理討論了2種不同強化工藝下殘余應(yīng)力松弛規(guī)律的異同。結(jié)果表明,加載應(yīng)力狀態(tài)與大小、殘余應(yīng)力的初始分布和冷作硬化是影響殘余應(yīng)力松弛的主要因素。

7075鋁合金;殘余應(yīng)力;應(yīng)力松弛;淬火強化;噴砂強化

前 言

結(jié)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力一般由焊接、熱處理、鑄造和機加工等生產(chǎn)過程引入。一方面,工程實踐要求零件投入使用前需要消減存在的結(jié)構(gòu)或表面殘余應(yīng)力[1];另一方面,工程上一般又通過引入不同大小和分布狀態(tài)的表面殘余壓應(yīng)力有效抑制構(gòu)件表面裂紋的萌生和發(fā)展[2]。對于經(jīng)常在交變循環(huán)載荷工況下工作的構(gòu)件,循環(huán)應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力松弛將大大地影響這種有利因素。綜合考慮殘余應(yīng)力的利弊,為了更加完善殘余應(yīng)力在工程實踐中的應(yīng)用,對循環(huán)載荷下的殘余應(yīng)力松弛及其機理的研究就成為重要的突破口。

目前,大多數(shù)研究者關(guān)注的對象為焊接鋼或表面噴丸鋼的局部殘余應(yīng)力,如D.Rao與D.Wang[3]等人對314L不銹鋼的應(yīng)力松弛研究和Wyman Z.Zhuang與Gary R.Halford[4]對表面噴丸鋼循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力的松弛研究等。對7系高強鋁合金的研究也頗多,如Sachin R.Shinde與David W.Hoeppner[6]和M.Benedetti與V.Fontanari[7]等人對7075-T6的研究,但主要集中在疲勞特性方面。綜合來看,對7系鋁合金結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與表面噴丸局部殘余應(yīng)力松弛及2種不同應(yīng)力狀態(tài)松弛的對比的研究較少。

7075鋁合金因具有高強、高韌等特點,目前已成為現(xiàn)代航空航天工業(yè)重要的結(jié)構(gòu)材料[5]。本實驗通過研究7075鋁合金板殘余應(yīng)力在循環(huán)載荷下的應(yīng)力松弛,探討應(yīng)力松弛的規(guī)律和機理。實驗結(jié)果表明,構(gòu)件殘余應(yīng)力的松弛很大程度上受外加載荷特性、初始殘余應(yīng)力分布和冷作硬化工藝的影響。包辛格效應(yīng)下,交變循環(huán)拉壓載荷比單向循環(huán)拉伸載荷能更有效地釋放殘余應(yīng)力,且軋向應(yīng)力和橫向應(yīng)力變化規(guī)律類似。淬火態(tài)鋁合金板試樣的殘余應(yīng)力場貫穿整個合金板厚度,表面為壓應(yīng)力,心部為拉應(yīng)力,應(yīng)力狀態(tài)十分穩(wěn)定,外部載荷難以釋放其應(yīng)力;而表面噴砂使鋁合金板試樣形成局部屈服強度梯度,殘余應(yīng)力場存在于鋁合金板表面一定深度范圍內(nèi),且并不十分穩(wěn)定,在外部載荷下易發(fā)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象。

試樣制備與實驗方法

. 試樣制備

實驗所用的試樣取自7075鋁合金軋制板,其主要成分(質(zhì)量分數(shù)):銅1.6%,鎂2.5%,鉻0.23%,鋅5.6%,其余為鋁。利用線切割方式取料后,對表面進行銑削,以保證表面平整光亮,最終得到的試樣尺寸如圖1所示。試樣分為2組,分別用于淬火強化(Q)與退火后表面噴砂強化(A+SP),試樣的長度方向均為軋向。使用加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD衍射儀測量表面殘余應(yīng)力。

圖1 7075鋁合金板試樣尺寸Fig.1 Size of 7075 aluminum alloy specimen

7075鋁合金板試樣熱處理從室溫開始,每小時升溫100℃,保溫10 min,固溶溫度達到480℃后保溫2 h,淬火方式為水浴淬火,退火工藝為隨爐退火。退火試樣的表面殘余應(yīng)力水平均在15 MPa以下,可認為為無應(yīng)力板,然后使用噴砂機對試樣的表面進行噴砂處理,噴料為石英砂,噴砂壓強為2 MPa。

. 實驗方法

采用上海華龍WPL-250型微機控制電液伺服動靜萬能試驗機標定試樣的力學性能及引入動應(yīng)力幅,該設(shè)備可進行拉伸、壓縮、彎曲、斷裂韌性的靜態(tài)試驗以及動態(tài)疲勞試驗。試驗過程中加載頻率為10 Hz,分別在第100,500,1 000,5 000,10 000和20 000個加載周期時進行表面殘余應(yīng)力測量。

通過拉伸試驗測定7075鋁合金板淬火試樣的名義屈服點Rp0.2=295 MPa,而退火后表面噴砂試樣的名義屈服點Rp0.2=175 MPa。通過層削法與裂紋柔度法測試殘余應(yīng)力后發(fā)現(xiàn),7075鋁合金板淬火試樣初始表面殘余壓應(yīng)力與內(nèi)部初始殘余拉壓力大小關(guān)系為2種應(yīng)力狀態(tài)下,試樣初始表面軋向與橫向殘余應(yīng)力及相應(yīng)的加載應(yīng)力如表1所示。

表1 試樣初始表面殘余應(yīng)力與相應(yīng)的加載應(yīng)力Table 1 Initia l surface residua l stre ss of spec im ens and the corre sponding applied stresse s

實驗結(jié)果與討論

. 實驗結(jié)果

按照表1中實驗設(shè)計對每個試樣進行相應(yīng)的應(yīng)力加載試驗,并進行表面殘余應(yīng)力測量,得到各個試樣在不同應(yīng)力加載條件下表面殘余應(yīng)力變化(圖2～5)。

圖2 交變循環(huán)載荷下淬火鋁合金板試樣表面殘余應(yīng)力變化Fig.2 Surface residual stress of quenched aluminum plate sample under alternating cyclic loading

圖3 單向循環(huán)載荷下淬火鋁合金板試樣表面殘余應(yīng)力變化Fig.3 Surface residual stress of quenched aluminum platesample under unidirectional cyclic loading

圖2和圖3為淬火鋁合金板試樣結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力松弛曲線。從圖2可以看出,當復(fù)合應(yīng)力達到材料屈服強度一半時,試樣1,2在較低循環(huán)加載應(yīng)力下,經(jīng)過20 000次交變應(yīng)力加載,其表面殘余應(yīng)力沒有明顯減小,可以預(yù)知其內(nèi)部殘余應(yīng)力場也無明顯改變。從圖3可以看出,加載應(yīng)力加大時,試樣3,4經(jīng)過20 000次加載,此時復(fù)合應(yīng)力分別約為材料屈服強度的70%與80%,表面應(yīng)力有所減小,約為15%(10～20MPa)。而且1 000個加載周期后表面應(yīng)力保持穩(wěn)定,這是因為殘余應(yīng)力發(fā)生松弛,復(fù)合應(yīng)力又遠小于材料屈服強度所致。雖然在試驗過程中試樣只承受軋向應(yīng)力加載,但殘余應(yīng)力使材料處在高彈性勢能狀態(tài),外力觸發(fā)下有利于破壞晶粒橫向平衡,故軋向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力的變化一致[8]。當試樣5承受壓應(yīng)力交變加載時,雖然加載應(yīng)力也較大,但表面殘余應(yīng)力并沒有明顯減小,說明殘余應(yīng)力松弛受到殘余應(yīng)力場的分布狀態(tài)影響。由于包辛格效應(yīng),初始表面狀態(tài)為壓應(yīng)力的試樣在外加拉應(yīng)力加載下容易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。加載應(yīng)力繼續(xù)增加,復(fù)合應(yīng)力超過材料的屈服強度時,試樣6,7在應(yīng)力加載前幾十個周期中殘余應(yīng)力即明顯減小,此時材料殘余應(yīng)力松弛的主要原因是材料的整體塑性變形。

圖4 單向循環(huán)載荷下退火后表面噴砂處理鋁合金板試樣殘余應(yīng)力變化Fig.4 Surface residual stress of annealed and shot-peened aluminum plate sample under unidirectional cyclic loading

圖5 交變循環(huán)載荷下退火后表面噴砂處理鋁合金板試樣殘余應(yīng)力變化Fig.5 Surface residual stress of annealed and shot-peened aluminum plate sample under alternating cyclic loading

圖4,5為退火后表面噴砂處理的鋁合金板試樣的殘余應(yīng)力松弛曲線。由圖4可知,試樣1′和2′分別在2種較低單向循環(huán)應(yīng)力下加載,此時材料表面應(yīng)力歷程仍處于壓應(yīng)力狀態(tài),經(jīng)過20 000次交變應(yīng)力加載,其表面殘余應(yīng)力并沒有明顯減小。當單向循環(huán)加載應(yīng)力逐漸加大接近材料屈服強度時,前若干個周期內(nèi)試樣表面殘余應(yīng)力變化緩慢,但是當試樣4′,6′與7′分別經(jīng)過10 000,500與50次交變應(yīng)力加載后,表面應(yīng)力迅速下降,且出現(xiàn)拉伸應(yīng)力狀態(tài)。繼續(xù)加載時,表面應(yīng)力狀態(tài)變化不大,趨于穩(wěn)定。從圖5可以看出,在較大交變循環(huán)加載應(yīng)力下,試樣3′表面殘余應(yīng)力持續(xù)松弛,此時復(fù)合應(yīng)力約為材料屈服強度的87%,20 000個周期后應(yīng)力松弛率達到20%;而試樣5′在更高的交變應(yīng)力下表面殘余應(yīng)力迅速下降,此時復(fù)合應(yīng)力超過材料屈服強度的10%,第1次循環(huán)即已發(fā)生塑性變形,所以殘余應(yīng)力迅速松弛,且在500次循環(huán)后應(yīng)力完全松弛,繼續(xù)加載出現(xiàn)拉伸應(yīng)力狀態(tài),但逐漸趨于穩(wěn)定,20 000次循環(huán)后可認為表面殘余應(yīng)力仍處于完全松弛狀態(tài),整體上殘余應(yīng)力與載荷周期成指數(shù)線性下降關(guān)系。實驗結(jié)果與Kodama[11]用X射線衍射技術(shù)測得噴丸試樣表面殘余應(yīng)力下降的實驗數(shù)據(jù)變化趨勢相符合。

. 循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力松弛機理

構(gòu)件上應(yīng)力集中處在加載應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加超過其屈服強度后將發(fā)生塑性變形,使這些點的約束變形得以釋放,從而降低最大殘余應(yīng)力。同時,由于包辛格效應(yīng),當拉伸加工硬化使材料的拉伸屈服強度提高時,相應(yīng)的壓縮屈服強度會降低,即拉伸加工硬化程度越高,壓縮屈服強度降低越多。由于壓縮屈服強度降低,在交變應(yīng)力作用下初始壓縮殘余應(yīng)力就有逐次降低的傾向。殘余應(yīng)力峰值的下降,改變了內(nèi)應(yīng)力場,構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力降低并重新分布,在較低的應(yīng)力水平上得到了平衡,從而使殘余應(yīng)力分布均勻[9-10]。

外加應(yīng)力下位錯不斷發(fā)生塞積和移動,一方面使應(yīng)力集中得以釋放,殘余應(yīng)力得以調(diào)整;另一方面使位錯移動所受阻力增大,最后與外加應(yīng)力和應(yīng)力集中處的殘余應(yīng)力疊加相平衡,此時晶粒內(nèi)組織變化停止,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在循環(huán)交變應(yīng)力的作用下,位錯克服點陣阻力、摩擦阻力和界面阻力而運動,并產(chǎn)生滑移使晶體發(fā)生微觀塑性變形,初期位錯密度變化明顯,隨后位錯運動阻力加大,內(nèi)耗(振動阻尼)減少,并使金屬晶體的抗變形能力增強[11-13]。

. 結(jié)果分析

7075鋁合金殘余應(yīng)力的松弛效果主要與以下因素有關(guān)。

首先是加載應(yīng)力的大小和狀態(tài)。當加載應(yīng)力較小時,并不能改變殘余應(yīng)力狀態(tài),這對淬火態(tài)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與噴砂表面殘余應(yīng)力試樣同樣適用;當加載應(yīng)力增大但復(fù)合應(yīng)力仍低于材料屈服強度時,經(jīng)過一定的加載周期,由于包辛格效應(yīng)殘余應(yīng)力有所降低;加載應(yīng)力繼續(xù)增大,當復(fù)合應(yīng)力接近或超過材料屈服強度時,殘余應(yīng)力完全釋放并出現(xiàn)反向拉伸應(yīng)力狀態(tài),此時材料已發(fā)生塑性變形。不論是對于淬火結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力還是噴砂表面殘余應(yīng)力,由于包辛格效應(yīng),交變循環(huán)拉壓載荷開始屈服時的應(yīng)力較低,引入更多的局部微觀塑性變形,比單純的循環(huán)拉伸載荷能更容易引起殘余應(yīng)力松弛。

其次是殘余應(yīng)力的初始分布狀態(tài)與大小。通過實驗發(fā)現(xiàn),淬火態(tài)試樣殘余應(yīng)力貫穿整個試樣厚度且應(yīng)力梯度較平緩,大小均勻穩(wěn)定。實驗中當復(fù)合應(yīng)力接近材料屈服強度時,殘余應(yīng)力才有所下降,但應(yīng)力下降只有15%左右。而表面噴砂試樣的殘余應(yīng)力只分布在材料表面,類似于整個面的應(yīng)力集中現(xiàn)象,容易消減。通過電解拋光的方法,對噴砂處理的鋁合金板試樣表面進行不同深度的表面殘余應(yīng)力測量,修正值如圖8所示。表面噴砂試樣的殘余應(yīng)力存在于表面以下約300μm范圍內(nèi),殘余應(yīng)力變化梯度較大,可認為是表層應(yīng)力集中,在較低的應(yīng)力狀態(tài)下即可發(fā)生松弛。

圖6 表面噴砂處理的7075鋁合金板殘余應(yīng)力分布Fig.6 Residual stress distribution of shot-peened 7075 aluminum alloy

最后是材料本身的性質(zhì)。冷作硬化工藝對材料屈服強度有顯著影響[14],一般表面經(jīng)冷作處理產(chǎn)生的屈服強度在表面最高而隨深度逐漸減小,因此,表面處理后的構(gòu)件內(nèi)部存在局部屈服強度梯度。加工過程中材料表面已經(jīng)承受復(fù)雜的應(yīng)變歷程,表面應(yīng)力狀態(tài)為雙軸壓縮,可能表現(xiàn)為屈服面狀態(tài)[15],從而造成表面微觀屈服強度低于整體材料的屈服極限,這就解釋了表面噴砂試樣在復(fù)合應(yīng)力低于材料宏觀屈服強度時,殘余應(yīng)力也有大幅下降甚至應(yīng)力反向的現(xiàn)象。

結(jié) 論

(1)復(fù)合應(yīng)力低于材料屈服強度一半時,殘余應(yīng)力幾乎不發(fā)生松弛;復(fù)合應(yīng)力接近或稍大于屈服強度時,殘余應(yīng)力與載荷周期呈有規(guī)律的指數(shù)線性下降關(guān)系;復(fù)合應(yīng)力超過材料屈服強度時,殘余應(yīng)力迅速下降甚至有可能出現(xiàn)反向應(yīng)力狀態(tài)。

(2)殘余應(yīng)力的松弛很大程度上受到原始應(yīng)力水平與分布的限制,即初始殘余應(yīng)力的大小與分布狀態(tài)嚴重影響到機械載荷作用下的應(yīng)力釋放效果。

(3)包辛格效應(yīng)下,交變循環(huán)拉壓載荷比單向循環(huán)拉伸載荷能引入更多的局部微觀塑性變形,因此也能更有效地釋放殘余應(yīng)力。且殘余應(yīng)力松弛過程中,軋向應(yīng)力和橫向應(yīng)力相互關(guān)聯(lián)且同時變化,二者變化規(guī)律類似。

(4)表面冷作硬化引起材料局部屈服強度梯度,造成表面微觀屈服強度低于整體材料的屈服極限,殘余應(yīng)力更容易松弛。

(5)對于7075鋁合金板淬火結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力,機械載荷對殘余應(yīng)力的均化作用較強;而對于噴砂件,表面冷作硬化引起材料局部屈服強度梯度,造成表面微觀屈服強度低于整體材料的屈服極限,殘余應(yīng)力更容易發(fā)生松弛并趨于均勻化。

[1]Smith D J,Farrahi G H,Zhu W X,et al.Experimental Measurement and Finite Element Simulation of the Interaction between Residual Stresses and Mechanical Loading[J].International Journal of Fatigue,2001,23:293-302.

[2]Wang Yanan(王亞男),Chen Shujiang(陳樹江),Dong Xichun(董希淳).Dislocation Theory and Its Applications(位錯理論及其應(yīng)用)[M].Beijing:China NationalMetallurgy Industry Press,2007.

[3]Rao D,Wang D,Chen L,et al.The Effectiveness Evaluation of 314L Stainless Steel Vibratory Stress Relief by Dynamic Stress[J].International Journal of Fatigue,2007,29:192-196.

[4]ZhuangW Z,Halford G R.Investigation of Residual Stress Relaxation under Cyclic Load[J].International Journal of Fatigue,2001,23:S31-S37.

[5]Zhu Wei(朱 偉),Pen Dashu(彭大暑),Zhang Hui(張輝),et al.7075鋁合金厚板淬火殘余應(yīng)力消除工藝的研究[J].Alum inum Fabrication(鋁加工),2002(2):25-28.

[6]Shinde Sachin R,Hoeppner David W.Fretting Fatigue Behavior in 7075-T6 Aluminum Alloy[J].W ear,2006,261:426-434.

[7]Benedetti M,Fontanari V,Scardi P,et al.Reverse Bending Fatigue of Shot Peened 7075-T651 Aluminum Alloy:The Role of Residual Stress Relaxation[J].International Journal of Fatigue,2009,31:1 125-1 236.

[8]Wu Yunxin(吳運新),Liao Kai(廖 凱).鋁合金厚板拉伸過程橫向殘余應(yīng)力消減分析[J].Journal ofMaterials Engineering(材料工程),2008(10):45-48.

[9]PrimeMB,HillMR.Residual Stress,Stress Relief,and Inhomogeneity in Aluminum Plate[J].Scripta Materialia,2002,46(1):77-82.

[10]Kocks U F.Laws for Work-Hardening and Low-Temperature Creep[J].Journal of Engineering Materials and Technology,1976,98:76-85.

[11]Yang Junbao(楊君寶).基于位錯理論的振動消應(yīng)力的機理研究[J].Mechanical Research&Application(機械研究與應(yīng)用),2007,20(2):62-64.

[12]Chen Sencan(陳森燦),et al.Metal Plastic Processing Principle(金屬塑性加工原理)[M].Beijing:Tsinghua University Press,1991.

[13]Kodama S.The Behavior of Residual Stress during Fatigue Stress Cycle[C]//In:Proceedings of the International Conference on Mechanical Behavior of Metals II.Kyoto:Society of Material Science,1972,2:111-118.

[14]Science and Technology Committee of Aeronautical Ministry(航空工業(yè)部科學技術(shù)委員會編).Strain-Fatigue Analysis Manuals(應(yīng)變疲勞分析手冊)[M].Beijing:Science Press,1987.

[15]Wang Hongwei(王宏偉),Ma Jinsheng(馬晉生),Nan Junma(南俊馬),et al.表面微觀屈服強度與疲勞極限的關(guān)系[J].Acta Metallurgica Sinica(金屬學報),1991,27(5):A365-A369.

Experimental Study of Residual Stress Relaxation of 7075 Aluminum Alloy under Cyclic Loading

HU Yonghui,WU Yunxin,GUO Junkang

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

Residual stresses of 7075 aluminum alloy were introduced by quenching and shot peening strengthening processes in order to clarify the residual stress relaxation mechanism and laws.And differences of residual stress relaxations under different strengthening technologies were discussed.The results show that state and magnitude of the applied stress,initial distribution of the residual stress and cold working have great influences on stress relaxation.Structural residual stress introduced by quenching relaxes a little under cyclic loading while the stress induced by shot peening relaxes a lot on the same cyclic stress scale.

7075 aluminum alloy;residual stress;stress relaxation;quenching;shot peening

TG115.5;TG146

A

1674-3962(2010)06-0050-05

2010-04-07

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目973項目(2005CB623708)

胡永會,男,1985年生,在讀碩士