孔強(qiáng)化對7050鋁合金殘余應(yīng)力分布的影響

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所， 北京 100024）

新一代飛機(jī)為達(dá)到優(yōu)異的飛行性能，對結(jié)構(gòu)減重和長壽命要求越來越高。機(jī)械連接具有安全、可靠、便于拆卸、可傳遞大載荷等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)零部件裝配。由于機(jī)械連接關(guān)鍵承力部位的緊固孔存在較大的應(yīng)力集中，在受到交變載荷作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致失效破壞，而飛機(jī)的損傷主要源于疲勞破壞，因此機(jī)體結(jié)構(gòu)的每個緊固孔成為潛在的疲勞源[1]。

開縫襯套孔擠壓強(qiáng)化使得孔周圍產(chǎn)生塑性變形，在結(jié)構(gòu)孔周邊產(chǎn)生一定范圍的壓應(yīng)力區(qū)，形成有利的殘余壓應(yīng)力分布[2-3]，在外載荷的作用下，降低平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，可改善孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高機(jī)體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵疲勞區(qū)的疲勞壽命，是實現(xiàn)飛機(jī)增壽的有效途徑之一。國外對孔強(qiáng)化工藝及理論進(jìn)行了相關(guān)研究，通過模擬研究建立了孔強(qiáng)化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[4-5]。國內(nèi)對孔強(qiáng)化工藝試驗進(jìn)行了相關(guān)研究，并研究了影響強(qiáng)化效果的因素[6-8]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員使用有限元軟件對開縫襯套冷擠壓孔強(qiáng)化殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行了大量的研究[9-10]。

7050鋁合金具有強(qiáng)度高、重量輕、斷裂韌性高等優(yōu)點, 屬于輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料[11]。本文針對目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大量使用的7050鋁合金進(jìn)行開縫襯套孔強(qiáng)化技術(shù)研究，從影響孔擠壓強(qiáng)化的工藝因素的角度出發(fā)，研究不同工藝對孔邊殘余應(yīng)力的影響。采用不同擠壓量和不同鉸削量進(jìn)行孔強(qiáng)化，通過對比不同強(qiáng)化效果及鉸削效果檢測孔邊殘余應(yīng)力，得到擠壓量和殘余應(yīng)力的關(guān)系，并分析鉸削量對殘余應(yīng)力分布的影響。

試驗材料與方法

試驗材料為7050-T7451鋁合金，室溫拉伸性能如下：抗拉強(qiáng)度σb=510MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2=441MPa，延伸率δ5=10%。試片尺寸如圖1所示，試片縱向為板材軋制方向。

孔強(qiáng)化試驗采用4種相對擠壓量對試片進(jìn)行開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化，擠壓量分別為3%、4%和5%，未強(qiáng)化孔的擠壓量定義為0。鉸削量是指孔強(qiáng)化后對孔進(jìn)行鉸削到終孔的金屬去除量，在5%擠壓量的基礎(chǔ)上，選取3種鉸削量進(jìn)行對比試驗，分別為 0.09mm、0.16mm 和 0.30mm。 制孔的過程中，采用鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔的加工工藝?？讖?qiáng)化設(shè)備采用美國FTI公司生產(chǎn)的FT-200型氣液增壓泵，拉槍為LB20型。采用LXRD應(yīng)力分析儀，測定試片孔邊徑向殘余應(yīng)力，分別檢測強(qiáng)化前后、不同擠壓量及不同鉸削量的殘余應(yīng)力分布。檢測點分布如圖2所示，射線光斑直徑為φ1mm，檢測點間距為1mm，測試方向沿孔邊徑向。測試條件為Co射線靶材，衍射晶面為311。

圖1 孔試片形狀與尺寸Fig.1 Configuration and dimensions of specimen

圖2 殘余應(yīng)力檢測點分布Fig.2 Test points distribution of residual stress

試驗結(jié)果與分析

開縫襯套冷擠壓孔強(qiáng)化是在芯棒上加裝開縫襯套，芯棒在拉槍的拉力F作用下，沿軸向通過孔時，芯棒大端通過開縫襯套擠壓孔壁使孔脹大，達(dá)到擠壓強(qiáng)化孔壁的效果?？讛D壓強(qiáng)化過程如圖3所示。

在孔強(qiáng)化過程中，芯棒大端通過孔時，孔壁金屬受到擠壓，孔壁先發(fā)生彈性變形，當(dāng)擠壓變形力超過材料屈服極限時，發(fā)生塑性變形。因此，在孔壁一定深度范圍內(nèi)的金屬層發(fā)生彈性變形，與該層相鄰的材料發(fā)生塑性變形。當(dāng)芯棒拉出孔后，孔壁表層發(fā)生彈性變形的材料在內(nèi)應(yīng)力的作用下開始回彈，并對塑性變形層形成反向擠壓，從而在孔壁一定范圍內(nèi)形成殘余壓應(yīng)力區(qū)。其中負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力。

1 強(qiáng)化過程殘余應(yīng)力分布

強(qiáng)化過程包括強(qiáng)化前制初孔，冷擠壓強(qiáng)化及強(qiáng)化后鉸孔，殘余應(yīng)力分布如圖4所示。從圖4可以看出，強(qiáng)化前殘余壓應(yīng)力分布在（-90±25）MPa范圍內(nèi)。隨著擠壓作用的影響，強(qiáng)化后的孔邊存在明顯的殘余應(yīng)力，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大值在距離孔邊2mm處。強(qiáng)化后最大殘余壓應(yīng)力未出現(xiàn)在孔邊，是由于孔壁發(fā)生回彈導(dǎo)致該處殘余應(yīng)力下降，過回彈區(qū)后，壓應(yīng)力逐漸達(dá)到最大，隨后由于材料屈服效應(yīng)減弱，對強(qiáng)化后的孔再進(jìn)行鉸孔，從圖4中的曲線可以看出此時殘余壓應(yīng)力最大值小于鉸孔前的壓應(yīng)力最大值，因此鉸孔對殘于壓應(yīng)力起到一定減弱作用。

圖3 冷擠壓強(qiáng)化Fig.3 Cold expansion

圖4 強(qiáng)化過程徑向殘余應(yīng)力Fig.4 Radial residual stress expansion of process

圖5 不同擠壓量徑向殘余應(yīng)力Fig.5 Radial residual stress of different expansion values

2 擠壓量對殘余應(yīng)力分布的影響

不同擠壓量的徑向殘余應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5可見，隨著擠壓量的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸增大。擠壓量為3%時，殘余壓應(yīng)力在徑向距離3mm的位置達(dá)到最大為-130MPa，＞4mm后殘余壓應(yīng)力變化趨勢趨于穩(wěn)定。擠壓量為4%和5%時，殘余壓應(yīng)力均在徑向距離2mm的位置達(dá)到最大，分別為-251MPa和-276MPa。殘余壓應(yīng)力值隨徑向距離的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，孔擠壓強(qiáng)化層的殘余應(yīng)力大小與擠壓量有關(guān)，擠壓量越大殘余壓應(yīng)力越大。

3 鉸削量對殘余應(yīng)力分布的影響

開縫襯套冷擠壓技術(shù)是通過芯棒擠壓孔內(nèi)的開縫襯套進(jìn)行強(qiáng)化，在擠壓過程中，材料受到芯棒大端的作用力發(fā)生塑性變形，在開縫襯套開縫處會擠出金屬，造成擠壓后的孔壁出現(xiàn)一條軸向凸脊，如圖6所示。實際使用時為方便緊固件裝配，通常采用鉸孔的方式去除孔內(nèi)凸脊，以使孔徑尺寸達(dá)到裝配要求。

圖6 開縫襯套強(qiáng)化產(chǎn)生的軸向凸脊Fig.6 Axial ridge from split-sleeve expansion

圖7 不同鉸削量徑向殘余應(yīng)力Fig.7 Radial residual stress of different reaming values

孔強(qiáng)化后去除孔壁內(nèi)的金屬會破壞原有的塑性變形層，使原有的殘余應(yīng)力場進(jìn)行重構(gòu)，不同鉸削量對殘余應(yīng)力分布的影響如圖7所示。可以看出，鉸削后的殘余壓應(yīng)力沿孔邊徑向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，殘余壓應(yīng)力隨鉸削量的增加逐漸減小。0.09mm鉸削量時的最大殘余壓應(yīng)力值為-276MPa，0.16mm鉸削量時的最大殘余應(yīng)力值為-246MPa。超過0.16mm鉸削量時，對殘余壓應(yīng)力會產(chǎn)生弱化，當(dāng)鉸削量達(dá)到0.30mm時，最大殘余應(yīng)力由-276MPa降低到-184MPa，出現(xiàn)明顯的殘余壓應(yīng)力弱化效應(yīng)。

結(jié)論

（1）強(qiáng)化前、強(qiáng)化后和鉸孔后的殘余壓應(yīng)力的分布存在明顯變化，強(qiáng)化后的殘余壓應(yīng)力最大值達(dá)到-270MPa，大于強(qiáng)化前和鉸孔后的最大值。（2）隨著擠壓量的增加，殘余壓應(yīng)力沿徑向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，3%的擠壓量殘余壓應(yīng)力最小，在5%的擠壓量時殘余壓應(yīng)力最大為-276MPa，殘余壓應(yīng)力層厚度大于7mm。（3）鉸削量對孔強(qiáng)化后的殘余壓應(yīng)力分布產(chǎn)生一定的影響，隨著鉸削量的增加殘余壓應(yīng)力最大值逐漸減小，0.16mm范圍內(nèi)的鉸削量對于殘余壓應(yīng)力的影響不大，當(dāng)鉸削量達(dá)到0.30mm時，殘余壓應(yīng)力弱化效應(yīng)增強(qiáng)。因此，強(qiáng)化后鉸削量因控制在0.16mm范圍內(nèi)。（4）孔擠壓強(qiáng)化可改善孔邊殘余應(yīng)力分布，使孔邊應(yīng)力場發(fā)生重構(gòu)，并形成有利的殘余壓應(yīng)力層，可延緩孔邊裂紋的萌生。

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