振動(dòng)時(shí)效在鋁合金厚板應(yīng)力消減中的局限與應(yīng)用

廖 凱，吳運(yùn)新，郭俊康

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004;2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083;3.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004)

振動(dòng)時(shí)效(VSR，vibration stress relief)利用振動(dòng)來(lái)消減殘余應(yīng)力，在黑色金屬領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，如對(duì)鑄鐵件和碳鋼焊接件等的振動(dòng)時(shí)效處理，已獲得較低的應(yīng)力水平和高性能構(gòu)件，其應(yīng)用的效果比較明顯［1］。鋁合金厚板為了更適合加工，其制備過(guò)程中產(chǎn)生的較強(qiáng)殘余應(yīng)力需要做消減處理，常用機(jī)械方法和熱處理方法，考慮到厚板的大規(guī)格工藝要求，機(jī)械預(yù)拉伸方法在工廠中被廣泛采用，但由于生產(chǎn)成本過(guò)高和成材率低等缺點(diǎn)，使得尋求一種新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為急需。振動(dòng)時(shí)效在工業(yè)中成功用于焊接件應(yīng)力消減，使之極可能成為鋁合金厚板應(yīng)力消減的新工藝，其特點(diǎn)表現(xiàn)在:工藝耗能少(是常規(guī)熱處理工藝的2%左右)、建設(shè)投資低、工作效率高、環(huán)境污染小和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的優(yōu)化［2－3］，因此這一技術(shù)在鋁合金厚板制備中也越來(lái)越受到關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展這方面研究的機(jī)構(gòu)和學(xué)者不多，尤其是量化評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)效工藝在鋁合金厚板殘余應(yīng)力消減中的實(shí)踐效果。James等［4－6］在應(yīng)力消減機(jī)理方面和應(yīng)力演變數(shù)學(xué)模型方面做了研究，包括最初的應(yīng)力循環(huán)內(nèi)應(yīng)力消減強(qiáng)度較大、主滑移面應(yīng)力卸載機(jī)理、應(yīng)力消減程度與加載應(yīng)力大小和塑性變形層深度的相關(guān)性等，這些為振動(dòng)時(shí)效運(yùn)用奠定了廣泛的基礎(chǔ)。沈華龍等［7－9］在這方面取得了一些成果，主要包括用于厚板振動(dòng)時(shí)效的硬件平臺(tái)建設(shè)，以及針對(duì)厚板進(jìn)行了大量的振動(dòng)時(shí)效實(shí)驗(yàn)，在不同的時(shí)效工藝條件下，并取得了很多寶貴實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。就已有數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)可以看出，振動(dòng)時(shí)效在厚板制備應(yīng)用方面有其獨(dú)到的作用，主要體現(xiàn)在均化應(yīng)力方面。本文擬從振動(dòng)時(shí)效在厚板應(yīng)力消減微觀機(jī)理分析出發(fā)，論述該工藝在厚板制備中的應(yīng)用局限性，并闡述其應(yīng)用的突破方向。

1 微觀機(jī)理

振動(dòng)時(shí)效其本質(zhì)是在構(gòu)件中施加交變應(yīng)力，在一定頻率的交變應(yīng)力作用下共振，以達(dá)到動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度與本身殘余應(yīng)力的疊加大于材料的屈服極限，使材料屈服以達(dá)到消減殘余應(yīng)力的目的。

1.1 振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用

其局限性表現(xiàn)在三個(gè)方面:其一，鋁合金厚板內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布雖然沿板厚分布并存在不均勻特征，但這屬于結(jié)構(gòu)性應(yīng)力，宏觀上分析不存在如焊接件縫口應(yīng)力集中的現(xiàn)象，振動(dòng)時(shí)效利用交變共振方式引起材料屈服這一功用在厚板上難以實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示為厚板淬火應(yīng)力典型分布［10－11］。其二，板類件固有頻率較低，考慮到材料的力學(xué)性能改變和組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，不宜采用較大的動(dòng)應(yīng)力加載方式，因此，大部分情況下無(wú)法進(jìn)行預(yù)期高于屈服強(qiáng)度的動(dòng)力，即動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后仍遠(yuǎn)小于屈服極限 σa+σR＜σ0.2。第三，板類件彎曲變形可以使得表層材料產(chǎn)生較大彈性應(yīng)力，但延伸至板內(nèi)的應(yīng)力變化影響更小，特別是對(duì)于較厚的鋁合金板件，振動(dòng)時(shí)效對(duì)應(yīng)力消減的效果難以評(píng)價(jià)，至少運(yùn)用已有的X射線衍射技術(shù)和力學(xué)測(cè)試技術(shù)都不能準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)［12－14］，如圖 1(b)為板類件振動(dòng)時(shí)效形式。

宏觀上看，振動(dòng)時(shí)效在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征的鋁合金厚板應(yīng)用上，具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為對(duì)板內(nèi)殘余應(yīng)力的消減效果不明顯。微觀上看，如果材料內(nèi)部存在局部微結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中或應(yīng)力梯度變化大的區(qū)域，則即使在低于宏觀屈服強(qiáng)度的條件下，也極有可能使材料形成微屈服，消減局部結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力水平。

圖1 Fig.1

使用7075高強(qiáng)鋁合金為試驗(yàn)材料，保證表面平整光亮，試樣尺寸為:180×30×10(mm)，長(zhǎng)度方向?yàn)檐埾?。?duì)試樣進(jìn)行無(wú)應(yīng)力退火處理，退火工藝為加熱到480℃保溫2小時(shí)后，隨爐退火。然后使用噴砂機(jī)對(duì)試樣鋁板的表面進(jìn)行噴砂處理，噴料為石英砂，噴砂壓力為2 MPa。表面應(yīng)力用PROTO公司的X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試。

噴砂處理后，鋁板表面發(fā)白，圖2為使用X射線法測(cè)量試樣表面殘余應(yīng)力分布。與圖1(a)比較，最大的區(qū)別是應(yīng)力梯度的強(qiáng)弱差異，淬火板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布比較平緩，應(yīng)力梯度較小，而噴砂板表面應(yīng)力梯度很大。如表1所示，取表面1mm深度內(nèi)應(yīng)力變化的平均梯度來(lái)進(jìn)行比較，可見(jiàn)噴砂板表層微結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖2 厚板表面噴砂處理后淺層應(yīng)力分布Fig.2 Stress distrbution of surface layer after sand blasting in thick plate

對(duì)上述噴砂厚板進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，當(dāng)加載應(yīng)力為80 MPa時(shí)(疊加應(yīng)力仍＜σ0.2)，加載循環(huán)為10000次時(shí)，噴砂板表面殘余應(yīng)力則迅速下降至13.58 MPa，且為拉應(yīng)力。當(dāng)加載循環(huán)為20000次時(shí)，表面殘余拉應(yīng)力下降為9.38 MPa?？梢?jiàn)在疊加應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度的情況下，振動(dòng)時(shí)效對(duì)表層應(yīng)力梯度較大狀態(tài)的板類件應(yīng)力消減效果十分明顯，這一現(xiàn)象需要從振動(dòng)時(shí)效對(duì)材料的微觀作用機(jī)理進(jìn)行研究。

1.2 厚板內(nèi)部微結(jié)構(gòu)差異

微屈服容易發(fā)生在應(yīng)力梯度大的區(qū)域，尤其是材料存在組織不均勻和晶格缺陷時(shí)，在一定交變力作用下，容易形成位錯(cuò)聚集移動(dòng)，造成微屈服變形，使構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力水平發(fā)生變化，在一定程度上可以起到均化厚板結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用。

根據(jù)鋁合金金相研究［15－16］，厚板淬火軋制后，其晶粒分布沿深度由表面及中心大致分為三個(gè)區(qū)域:絕大部分為細(xì)小的亞晶表層區(qū)、細(xì)小亞晶和粗大的再結(jié)晶晶粒過(guò)渡區(qū)(1/4～3/8深度處)、大部分粗大晶粒和小部分亞晶的中心區(qū)。

細(xì)晶與粗晶共存是一種普遍的存在形式，如圖3(a)為過(guò)渡區(qū)微區(qū)內(nèi)亞晶與粗晶組織結(jié)構(gòu)。淬火組織造成的收縮變形，使亞晶位錯(cuò)滑移并在與粗晶相鄰晶界處阻塞堆積，相似機(jī)理，粗晶也會(huì)由于滑移系位向而使位錯(cuò)線阻塞在某個(gè)晶界段，由于晶粒形狀和分布具有隨機(jī)性，因此總存在造成這兩種晶粒的作用力交叉的有利位向晶粒。從而造成粗晶呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)σ拉，周圍細(xì)小亞晶粒則仍為壓應(yīng)力σ壓，在這個(gè)區(qū)域應(yīng)力梯度變化明顯，是一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，在振動(dòng)能量足夠大時(shí)，很容易形成微區(qū)變形，消減周圍應(yīng)力強(qiáng)度。

圖3 晶粒分布模型概況圖Fig.3 Model of grain distribution

粗大的第二相和彌散相會(huì)存在于亞晶與粗晶組織結(jié)構(gòu)中，晶界和晶內(nèi)都存在，如圖3(b)為中心區(qū)微區(qū)內(nèi)，粗晶占據(jù)大部分晶體結(jié)構(gòu)，其中分布了亞晶和析出相。一般認(rèn)為，F(xiàn)e、Si元素以及S相等硬度高的脆性相，降低了微區(qū)的塑性變形能力，造成了晶粒間應(yīng)力不均勻，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)晶粒間各向異性特征十分突出。這些特征在析出相周圍造成晶粒彼此變形能力的差異，出現(xiàn)晶粒應(yīng)力強(qiáng)度變化，在結(jié)構(gòu)周圍容易形成強(qiáng)－弱－強(qiáng)鏈狀應(yīng)力分布形式。厚板越往心部，材料的組織不均勻度越明顯，微區(qū)應(yīng)力變化也越明顯，極易形成高應(yīng)力梯度，造成微結(jié)構(gòu)間能量不穩(wěn)定，在激振力作用下，形成微屈服。

1.3 機(jī)理

由于材料中總是存在著微觀缺陷，尤其是組織不均勻時(shí)在微區(qū)內(nèi)形成的應(yīng)力集中區(qū)，在交變力的作用下，導(dǎo)致位錯(cuò)移動(dòng)逐漸形成塞積群，加劇應(yīng)力集中，并在一定強(qiáng)度下以晶格應(yīng)變的形式釋放，即微屈服。這種微屈服通過(guò)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使相鄰晶格的應(yīng)變狀態(tài)得到新的平衡，即原來(lái)高能量不穩(wěn)定狀態(tài)變成了低能穩(wěn)定狀態(tài)。板內(nèi)微屈服不一定有明顯的宏觀變形，也就不存在明顯的宏觀應(yīng)力變化，但是大面積相似結(jié)構(gòu)微屈服的形成就能夠影響宏觀變形，并使構(gòu)件的應(yīng)力水平下降。如之前的試驗(yàn)結(jié)果，表面噴砂試樣殘余應(yīng)力梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淬火試樣，所以由于位錯(cuò)的滑移產(chǎn)生的塑性變形從而降低應(yīng)力強(qiáng)度的效果會(huì)更加顯著。當(dāng)然，試樣表面由于缺少外部自由度約束，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)抗力小，也容易產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和微屈服，引起殘余應(yīng)力的變化。

厚板淬火軋制形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，受工藝本身的局限，使振動(dòng)時(shí)效難以對(duì)其進(jìn)行宏觀應(yīng)力的直接消減，或者說(shuō)無(wú)法產(chǎn)生明顯宏觀屈服，但是對(duì)板內(nèi)組織不均勻處造成的微屈服過(guò)程，會(huì)一定程度上均化板內(nèi)應(yīng)力水平，對(duì)穩(wěn)定板型或厚板尺寸穩(wěn)定性起到積極作用，這是振動(dòng)時(shí)效在厚板制備中一個(gè)應(yīng)用特點(diǎn)。

另外，過(guò)大的動(dòng)應(yīng)力會(huì)對(duì)厚板性態(tài)產(chǎn)生影響，諸如降低材料疲勞壽命，造成疲勞損傷等，在本研究中考慮到這一點(diǎn)，因此加載的振動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度以疊加后應(yīng)力接近屈服為宜，對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生明顯改變。如圖4所示，說(shuō)明了振動(dòng)時(shí)效沒(méi)有改變材料微觀組織結(jié)構(gòu)形式，實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)其對(duì)材料力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度和彈性模量等沒(méi)有明顯影響。

圖4 直接人工時(shí)效與振動(dòng)后人工時(shí)效晶內(nèi)Cr、Mn相，Mg-Zn2(η’)晶界處析出相分布情況 (a)(b)為直接人工時(shí)效，(c)(d)振動(dòng)20000次后人工時(shí)效Fig.4 Cr、Mn and precipitates(η’)distribution on grain boundary between artificial aging and VSR+artificial aging(a)only artificial aging;(b)VSR+artificial aging

2 實(shí)驗(yàn)研究

厚板制備后內(nèi)部形成的高強(qiáng)殘余應(yīng)力，會(huì)使厚板在長(zhǎng)期存放后板形尺寸不穩(wěn)定，這與板內(nèi)殘余應(yīng)力不均勻、自然時(shí)效過(guò)程以及析出相改變微區(qū)應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，為提高板形尺寸穩(wěn)定性，可對(duì)淬火板進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。實(shí)驗(yàn)材料為采用2塊1000mm×500mm×20mm的2A12鋁合金厚板，固溶淬火方法固溶溫度480℃，保溫兩個(gè)小時(shí)+水浴淬火，其中只對(duì)板1在淬火之后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，并與板2進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

振動(dòng)時(shí)效裝置如圖1(b)所示，將激振器的偏心角調(diào)整至30°，使用半自動(dòng)方式進(jìn)行振前掃頻，利用加速度傳感器和應(yīng)變片測(cè)量得到的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)和試件的一階固有頻率。實(shí)驗(yàn)中鋁板在激振頻率為5000 r/min時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)烈，且能保持穩(wěn)定，計(jì)算得激振力約為3267 N(備注:這個(gè)力與厚板本身殘余應(yīng)力疊加后仍小于材料屈服極限)，時(shí)效時(shí)間設(shè)為30 min。

板形測(cè)試在三坐標(biāo)儀上進(jìn)行，將鋁板放置在三點(diǎn)支撐的測(cè)量平臺(tái)上，使用Brwon＆Sharpe公司生產(chǎn)的GLOBAL STATUS575型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)鋁板表面變形情況進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量機(jī)長(zhǎng)度測(cè)量最大允許誤差MPEE=2.5+4L/1000μm，最大允許探測(cè)誤差 MPEP=2.5μm。測(cè)試位置如圖1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將放置1月厚板前后相同測(cè)量點(diǎn)的高度坐標(biāo)相減，得到兩種狀態(tài)下鋁板的變形量曲面圖，如圖5所示。由圖中可以看出經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理的鋁合金厚板，在放置一個(gè)月前后其表面變形量較小，尺寸穩(wěn)定性較好。相反，未經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理的鋁合金厚板變形量比較大，尺寸穩(wěn)定性相對(duì)較差。以高度坐標(biāo)差的平均值△作為衡量變形量的特征值，計(jì)算得到經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效的鋁板放置一月前后高度坐標(biāo)差的平均值為Δ=－1.93 um，而未經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效為Δ=14.75 um，為經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理的7.65倍。

圖5 放置1月前后淬火板變形差Fig.5 Deformation of quenched plate after one months

2.3 分析與討論

構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性較好從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了其內(nèi)部應(yīng)力水平的均勻化程度較高，也即是淬火初始產(chǎn)生的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)組織間高應(yīng)力梯度得到極大程度緩解，降低了構(gòu)件中各組織不均勻區(qū)殘余應(yīng)力差值Δσ=σmaxσmin，這也符合學(xué)者 Naotake Yoshihara與 Yoshimichi Hino提出“殘余應(yīng)力幅度”判據(jù)，即對(duì)于一個(gè)特定的殘余應(yīng)力分布形式，構(gòu)件中最大殘余應(yīng)力與最小殘余應(yīng)力的差值與構(gòu)件潛在尺寸變形線性相關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣的比較，可以看出振動(dòng)時(shí)效在厚板尺寸穩(wěn)定性方面發(fā)揮了作用，這對(duì)厚板預(yù)變形和后期加工都有積極的作用。振動(dòng)時(shí)效不僅在宏觀上可以消減殘余應(yīng)力(如焊接件)，在微觀上同樣可以通過(guò)位錯(cuò)移動(dòng)和最小能量法則促使晶格變形的微屈服形式(包括高應(yīng)力梯度情形)以消減微區(qū)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)厚板內(nèi)部應(yīng)力均化和板形穩(wěn)定目的，這將是振動(dòng)時(shí)效在厚板應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。

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