一種鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力狀態(tài)的研究

樊　蕾，程紹楊

(中核(天津)機(jī)械有限公司，天津 300300)

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一種鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力狀態(tài)的研究

樊蕾，程紹楊

(中核(天津)機(jī)械有限公司，天津 300300)

研究發(fā)現(xiàn)，工件在模鍛件成型和熱處理后，內(nèi)部殘留有大量的殘余應(yīng)力，在加工過(guò)程中，殘余應(yīng)力被逐漸釋放，導(dǎo)致工件變形，造成工件不合格。以鋁合金模鍛件為例，采用X射線衍射法配合電解拋光，對(duì)模鍛件表面和內(nèi)部的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，揭示模鍛件表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)力狀態(tài)和分布規(guī)律，并采用冷熱循環(huán)時(shí)效的方法代替原有的熱時(shí)效方法處理模鍛件。檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，冷熱循環(huán)時(shí)效處理后的模鍛件沿直徑和圓周方向殘余應(yīng)力值都較小，并且分布更均勻。這為今后優(yōu)化鋁合金模鍛件熱處理工藝，減小殘余應(yīng)力奠定了理論基礎(chǔ)。

殘余應(yīng)力；變形；X射線衍射法；電解拋光；冷熱循環(huán)時(shí)效處理

在毛坯制造過(guò)程中，受外力或不均勻溫度場(chǎng)的作用，材料會(huì)產(chǎn)生不均勻的彈塑性變形，從而在毛坯中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力與工件加工變形密切相關(guān)[1]。

殘余應(yīng)力無(wú)法用感官直接感知，而且殘余應(yīng)力的狀態(tài)，尤其是應(yīng)力的大小及分布，會(huì)隨加工方法的不同而有所差異[2]；因此，深入了解殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因，快速、無(wú)損地檢測(cè)出殘余應(yīng)力，并控制和調(diào)整殘余應(yīng)力的大小和分布，對(duì)控制工件加工變形具有非常重要的指導(dǎo)意義。

鋁合金模鍛件的成型工藝主要包括鍛造和熱處理。在模鍛件成型、熱處理后，模鍛件內(nèi)部殘留有大量的殘余應(yīng)力，在車削過(guò)程中，伴隨工裝夾具、切削刀具、切削路徑和切削參數(shù)等多重因素，殘余應(yīng)力被大量釋放，導(dǎo)致工件變形，造成工件不合格。

本文以一種鋁合金模鍛件為研究對(duì)象，與北京翔博科技有限公司合作，利用X射線衍射法輔以電解拋光進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，研究模鍛件的殘余應(yīng)力大小與分布規(guī)律。此外，與北京航空材料研究院合作，利用冷熱循環(huán)時(shí)效處理的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒溫?zé)釙r(shí)效法對(duì)模鍛件進(jìn)行處理，檢測(cè)冷熱循環(huán)時(shí)效處理后模鍛件的殘余應(yīng)力大小，并與恒溫?zé)釙r(shí)效進(jìn)行比對(duì)，為下一步優(yōu)化模鍛件熱處理工藝，減小殘余應(yīng)力奠定理論基礎(chǔ)。

1　X射線衍射法

X射線衍射法最早是由俄國(guó)學(xué)者Аксенов于1929年提出的。美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)和日本材料學(xué)會(huì)都把X射線衍射法作為測(cè)量材料應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)使用[3]。我國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局也于2008年制定了GB/T7704—2008《無(wú)損檢測(cè)—X射線應(yīng)力測(cè)試方法》[4]。

1.1X射線衍射法的原理

X射線殘余應(yīng)力無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基于X射線衍射理論。當(dāng)一束具有一定波長(zhǎng)λ的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度(2θ)上接收到反射的X射線衍射峰，這便是X射線衍射現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)[5]。

圖1　X射線衍射現(xiàn)象示意圖

X射線的波長(zhǎng)λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間，符合著名的布拉格定律：

2dsinθ=nλ

根據(jù)彈性力學(xué)方程，可求出某一方向應(yīng)力σ：

σ=KM

1.2X射線衍射法的優(yōu)點(diǎn)

采用X射線衍射法的具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)不改變材料狀態(tài)，屬于無(wú)損測(cè)量；2)通過(guò)與其他材料剝離、電解拋光方法配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力的逐層測(cè)定，適用于精確測(cè)定應(yīng)力沿層深的分布；3)通過(guò)多點(diǎn)多向測(cè)量，可繪制工件應(yīng)力分布的完整云圖；4)可以指導(dǎo)并修正CAE的應(yīng)力仿真值，可以相對(duì)準(zhǔn)確、全面地掌握工件在各個(gè)加工環(huán)節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，并得到加工變形情況[8]。

2　鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)

2.1檢測(cè)方法

采用加拿大PROTO公司的X射線衍射應(yīng)力儀，選擇Co靶材的Kα射線，隨機(jī)抽取1件模鍛件，對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。為研究模鍛件表面到內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律，采用車削加工方式去除一定厚度，再經(jīng)電解拋光去除加工硬化層，檢測(cè)其內(nèi)部殘余應(yīng)力。

2.2檢測(cè)點(diǎn)的分布

檢測(cè)點(diǎn)沿圓周均勻分布，在1/4區(qū)域內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，另外3/4區(qū)域作為補(bǔ)測(cè)點(diǎn)。模鍛件內(nèi)外表面檢測(cè)點(diǎn)的位置分布如圖2和圖3所示。以工件外表面俯視圖逆時(shí)針?lè)较騽澐?°、45°、90°、180°、270°和315°；在徑線位置方向，以徑線上距圓心的半徑大小依次分為1#，2#，…，6#測(cè)點(diǎn)。工件各層檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)為16個(gè)，各檢測(cè)點(diǎn)均檢測(cè)3個(gè)方向應(yīng)力。殘余應(yīng)力檢測(cè)方向規(guī)定為：0°方向?yàn)閺较驊?yīng)力方向；90°方向?yàn)榄h(huán)向應(yīng)力方向。模鍛件各層檢測(cè)信息見(jiàn)表1。

圖2　模鍛件內(nèi)表面檢測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖

圖3　模鍛件外表面檢測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖

檢測(cè)層層位置加工方式外表面外表面 —外表面第1層距外表面1mm 以外表面為基準(zhǔn)車削去除1mm后電解拋光外表面第2層距外表面2mm 以外表面第1層為基準(zhǔn)車削去除1mm后電解拋光外表面第3層距外表面3mm 以外表面第2層為基準(zhǔn)車削去除1mm后電解拋光外表面第4層距外表面4mm 以外表面第3層為基準(zhǔn)車削去除1mm后電解拋光內(nèi)表面內(nèi)表面 —

2.3去除加工硬化層

模鍛件表面經(jīng)車削加工后，會(huì)產(chǎn)生加工硬化層，通過(guò)用電解拋光方法，對(duì)硬化層進(jìn)行逐層去除。經(jīng)試驗(yàn)確定加工硬化層的深度及對(duì)應(yīng)的拋光時(shí)間，以便后續(xù)表面處理時(shí)，直接使用該拋光參數(shù)來(lái)去除加工硬化層。

試驗(yàn)選定模鍛件車削去除第1層后，外表面45°，徑線2#點(diǎn)位置，時(shí)間間隔為(20～40)s，進(jìn)行電解拋光。拋光后檢測(cè)表面及各不同深度的殘余應(yīng)力(見(jiàn)表2)，得到不同拋光深度車削硬化層應(yīng)力分布(見(jiàn)圖4)。對(duì)工件等效應(yīng)力、徑向正應(yīng)力和環(huán)向正應(yīng)力等應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拋光深度達(dá)到約100μm時(shí)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)拋光時(shí)間約為120s。由此可得，后續(xù)各去除層在加工完成后均使用120s時(shí)長(zhǎng)電解拋光。

表2　模鍛件不同拋光深度殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果　(MPa)

圖4　模鍛件不同拋光深度車削硬化層應(yīng)力分布示意圖

2.4模鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)

對(duì)模鍛件各層應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表3)，分布示意圖如圖5所示。由圖5可以看出，同一圓周上各點(diǎn)應(yīng)力有較大差異；外表面各層應(yīng)力從中心到邊緣沿直徑方向主要呈現(xiàn)先升高后降低，然后再升高的變化規(guī)律。

表3　模鍛件等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果　(MPa)

圖5　模鍛件等效應(yīng)力分布示意圖

3　殘余應(yīng)力的消除——冷熱循環(huán)時(shí)效處理

3.1冷熱循環(huán)時(shí)效處理

殘余應(yīng)力的調(diào)控與消除方法主要有熱處理法、機(jī)械法、爆炸法和超聲波沖擊法等。冷熱循環(huán)時(shí)效處理(T653)是熱處理的一種方式，其主要目的是消除鋁合金的淬火殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的消除率最高可達(dá)到85%。由于鋁合金材料不存在冷脆性，因此，可以嘗試采用冷熱循環(huán)時(shí)效處理的方法降低毛坯的殘余應(yīng)力。

為了驗(yàn)證冷熱循環(huán)時(shí)效結(jié)果，與北京航材院合作進(jìn)行了探索性試驗(yàn)，驗(yàn)證冷熱循環(huán)后模鍛件殘余應(yīng)力水平的均值和極差。采取的主要工藝路線是：淬火后的毛坯先自然冷卻至室溫，再利用液氮深冷至-90 ℃，保溫(30～40)min，然后進(jìn)時(shí)效爐升溫至135 ℃，保溫20min，出爐后自然冷卻至室溫，如此反復(fù)進(jìn)行3次。

3.2殘余應(yīng)力檢測(cè)

冷熱循環(huán)模鍛件外表面殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　冷熱循環(huán)模鍛件外表面殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果　(MPa)

T653態(tài)與T6態(tài)模鍛件殘余應(yīng)力比對(duì)示意圖如圖6所示。由圖6可以看出，T653態(tài)(冷熱循環(huán)時(shí)效)模鍛件殘余應(yīng)力分布比較均勻，峰值較低；T6態(tài)(熱淬火+人工時(shí)效)模鍛件殘余應(yīng)力分布不均勻，峰值較高。

圖6　T653態(tài)與T6態(tài)模鍛件殘余應(yīng)力比對(duì)示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)論，利用冷熱循環(huán)時(shí)效處理的方法生產(chǎn)了500件鋁合金模鍛件，對(duì)其中的450件進(jìn)行了加工。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，該批次工件的一次交驗(yàn)合格率為82.2%，最終合格率為97.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒溫?zé)釙r(shí)效處理的毛坯的加工合格率(一次交驗(yàn)合格率為60.1%，最終合格率為87.7%)。由此可以證明，采用冷熱循環(huán)時(shí)效處理可以有效降低并均化毛坯的殘余應(yīng)力，減小加工過(guò)程中由于殘余應(yīng)力釋放引起的變形，從而提高工件的加工合格率。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋁合金模鍛件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：1)毛坯在鍛造和熱處理后，殘余應(yīng)力分布比較復(fù)雜，并且殘余應(yīng)力峰值較大；2)采用冷熱循環(huán)時(shí)效處理，可以有效地降低殘余應(yīng)力峰值，并且使得殘余應(yīng)力分布更加均勻。

[1] 董兆偉.鋁合金整體結(jié)構(gòu)件銑削加工殘余應(yīng)力及變形研究[M].北京:科學(xué)出版社，2015.

[2] 王海斗，朱麗娜，邢志國(guó).表面殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 胡云卿，萬(wàn)海濤.殘余應(yīng)力消除方法研究[J].科技廣場(chǎng)，2011(4):188-190.

[4] 張根保，張坤能.殘余應(yīng)力消除技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015(4):6-11.

[5] 陳會(huì)麗，鐘毅，王華昆，等.殘余應(yīng)力測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J].云南冶金，2005，6(3):52-54.

[6] 中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T7704—2008無(wú)損檢測(cè)—X射線應(yīng)力測(cè)定方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.[7] 張定銓，何家文.材料中殘余應(yīng)力的X射線衍射分析和作用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1994.

[8] 慶光.殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].重型機(jī)械科技，2002(4):39-49.

責(zé)任編輯馬彤

ResearchoftheResidualStressStateofaKindofAluminumAlloyDieForgings

FANLei，CHENGShaoyang

(ChinaNuclearTianjinMachineCo.,Ltd.,Tianjin300300,China)

Studieshavefoundthatthemainreasonoftheunqualifiedproductionisthatafterdieforgingsformingandheattreatment,roughinternalresidueshavealargeamountofresidualstress.Intheturningprocess,theresidualstressisgraduallyreleasedandtranslatedintodeformation,sothattheworkpieceisunqualified.Takethealuninumalloydieforgingsasanexample,testingthesurfaceandinternalresidualstressofdieforgingsbyX-raydiffractionmethodandelectrolyticpolishinginordertorevealtherulesoftheresidualstressstateanddistributionofsurfaceandinternal.Adoptthemethodofhotandcoldcycletimeinsteadoftheoriginalheatagingmethodprocessingdieforgings.Aftertesting,findthatdieforgingswithhotandcoldagingtreatmentcycleshavesmallerresidualstressalongthedirectionofdiameterandthecircumferenceofacircle,andthedistributionismorehomogeneous.Itlaysatheoreticalfoundationforoptimizingthealuninumalloydieforgingsheattreatmentandreducingtheresidualstress.

residualstress，deformation，X-raydiffractionmethod，electrolyticpolishing，hotandcoldagingtreatmentcycles

2016-03-16

TH14；TH87A

樊蕾(1986-)，女，助理工程師，碩士，主要從事專用設(shè)備的加工制造等方面的研究。