采用圓環(huán)三角試樣評價材料的尺寸穩(wěn)定性

顧開選, 王凱凱, 郭 嘉, 翁澤鉅,3, 王俊杰,3

(1.中國科學(xué)院 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190； 2.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院, 北京 100043； 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

航空零部件具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工去除量大等特點(diǎn)，加工完成后的零部件變形嚴(yán)重，直接導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品交付困難等問題，嚴(yán)重阻礙了我國空天力量的快速穩(wěn)健發(fā)展[1]。宇航精密構(gòu)件的微變形導(dǎo)致儀器導(dǎo)航、定位精度出現(xiàn)偏差，高檔機(jī)床零部件的變形導(dǎo)致機(jī)床整體精度下降過快等問題，均是由于關(guān)鍵核心零部件在服役條件下或者加工后自然條件下的宏觀尺寸變化所導(dǎo)致的[2-3]。

一般認(rèn)為，金屬材料尺寸的自發(fā)變化是以下兩個因素的結(jié)果：①材料的相與組織的不穩(wěn)定性；②在各種熱加工與冷加工工藝過程中以及在機(jī)械裝配操作時，零件中的殘余應(yīng)力及其松弛[4-5]。國外對于尺寸穩(wěn)定性問題的研究起步較早，前蘇聯(lián)對精密機(jī)械制造與儀器制造中金屬與合金的尺寸穩(wěn)定性開展了系統(tǒng)的研究，20 世紀(jì)70 年代初便制定了金屬材料尺寸穩(wěn)定化處理工藝國家標(biāo)準(zhǔn)，而我國在這方面的研究不夠系統(tǒng)深入，其中的一個主要原因是尺寸穩(wěn)定性評價方法不健全[6]。

從宏觀變形層面對尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行表征是一種較為直觀的手段，前蘇聯(lián)學(xué)者[4]提出的奧金格圓環(huán)試樣方法就是通過對開口后的圓環(huán)采用楔形塊加載，根據(jù)卸載后缺口尺寸與原始狀態(tài)的缺口尺寸之差來檢測尺寸穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者孫東立等提出了圓環(huán)開口法，通過開口后的尺寸變化來對試樣的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行評價；武高輝等提出了一種冷熱循環(huán)實(shí)時檢測法，通過熱膨脹儀來檢測溫度循環(huán)變化條件下材料尺寸的穩(wěn)定性，其能夠有效反映材料微觀變化和應(yīng)力松弛的耦合作用[6-8]。

但目前對于材料尺寸穩(wěn)定性的評價還是缺乏快捷的、標(biāo)準(zhǔn)的評價手段，對于工業(yè)應(yīng)用來說，最直觀的評價方法是直接檢測零件的外形尺寸，然而，對于處理工藝的優(yōu)化或試驗(yàn)研究難以開展大批量的實(shí)際零件檢測，況且零件種類繁多導(dǎo)致尺寸變化的規(guī)律性難以把握。因此，筆者提出一種圓環(huán)三角法對尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行評價，通過對試樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計使其能夠精確反映材料尺寸的變化，從而為大批量的尺寸穩(wěn)定化工藝研究提供支持。

1 試驗(yàn)方法

1.1 圓環(huán)三角試樣設(shè)計方案

基于初始平衡殘余應(yīng)力的釋放導(dǎo)致試樣產(chǎn)生應(yīng)變的原理，考慮到圓環(huán)開口法試樣上殘余應(yīng)力的分布比較均勻，開口后引起的應(yīng)變較小，從而影響測量精度。因此，該方案是在一個圓形試樣中心開一個三角形的槽從而獲得尺寸不均勻的試樣。此外，為了試樣方向便于控制、線切割固定方便，在圓環(huán)外側(cè)加工出兩個平面。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了如圖1所示的圓環(huán)三角試樣，該試樣具有壁薄(厚度5 mm)、形狀不規(guī)則、截面變化大等特點(diǎn)，不同工藝處理后，試樣不同位置殘余應(yīng)力分布不均勻，沿三角形底邊切開后，殘余應(yīng)力釋放將導(dǎo)致試樣尺寸發(fā)生變化，通過角θ及試樣兩側(cè)面平行度開口前后的變化來評價試樣的尺寸穩(wěn)定性。

圖1 圓環(huán)三角試樣尺寸示意圖Fig.1 Diagram of ring triangle specimen size

1.2 試驗(yàn)材料

為了對上述試樣的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，采用航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的7050鋁合金作為試驗(yàn)材料，通過深冷處理技術(shù)與固溶時效相結(jié)合的方式對7050鋁合金進(jìn)行處理，研究不同工藝對試樣尺寸穩(wěn)定性的影響。7050鋁合金原材料為軋制板材，化學(xué)成分如表1所示，原材料經(jīng)過長時間[>5 a(年)]自然時效，殘余應(yīng)力得到充分釋放。

表1 7050鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of 7050 aluminum alloy (mass fraction) %

1.3 試驗(yàn)步驟

圓環(huán)三角法的具體試驗(yàn)步驟如下：①沿軋制方向加工出圓環(huán)三角形試樣，圓環(huán)內(nèi)部的三角形采用慢走絲線切割進(jìn)行加工，保證加工表面平整；②對試樣按照不同工藝進(jìn)行處理：固溶處理(S)、固溶-時效處理(SA)、固溶-深冷處理(SC)、固溶-深冷-時效處理(SCA)和固溶-時效-深冷處理(SAC)，其中不同工藝具體參數(shù)如表2所示；③經(jīng)過不同工藝的處理后待試樣溫度回至室溫時立刻采用Future866型三坐標(biāo)測量儀(測量精度2 μm)進(jìn)行θ角度檢測并記為θ0；④采用線切割沿三角形底部邊緣切開，切割過程中保證不同試樣切割位置一致，試樣裝卡需要避免x和y方向上受力，切割過程中應(yīng)充分冷卻避免切割熱應(yīng)力，線切割完成后立即檢測θ′角度，通過θ角的變化Δθ=θ0-θ′和試樣兩側(cè)面平行度的變化來對不同工藝試樣尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行評價。每個工藝測試3個試樣，取平均值作為最終結(jié)果。

表2 工藝編號及工藝參數(shù)Tab.2 Process number and its parameters

1.4 淬火殘余應(yīng)力模擬

7050鋁合金固溶淬火過程中容易產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，這一殘余應(yīng)力在后續(xù)不同處理階段的演化會直接影響到不同工藝處理后的圓環(huán)三角試樣的尺寸穩(wěn)定性。為此，采用ABAQUS有限元軟件對圓環(huán)三角試樣淬火后的殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行計算，獲得淬火后圓環(huán)三角試樣的殘余應(yīng)力分布，為圓環(huán)三角試樣的變形分析提供一定指導(dǎo)。計算模型為圖1所示的圓環(huán)三角試樣，固溶溫度為465 ℃，淬火介質(zhì)為20 ℃的水，材料的物性參數(shù)及表面換熱系數(shù)參考MUAMMER等[9]的工作，計算采用順序耦合法進(jìn)行。

1.5 殘余應(yīng)力檢測

為了結(jié)合殘余應(yīng)力的變化對尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用RS-200型高速渦輪鉆孔設(shè)備，按照ASTM E837—13a《通過鉆孔應(yīng)變計測量殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測[10]，獲得不同工藝處理后的圓環(huán)三角試樣殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力檢測試樣為50 mm的鋁合金立方體，測試位置位于立方體表面中心位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淬火態(tài)殘余應(yīng)力分布

在試樣的各種處理方式中，淬火態(tài)下殘余應(yīng)力對變形作用較大，筆者主要對淬火態(tài)殘余應(yīng)力分布進(jìn)行分析討論。

7050鋁合金圓環(huán)三角淬火后厚度方向上表面和心部殘余應(yīng)力分布如圖2所示，其中S11為圓環(huán)三角試樣x方向上的殘余應(yīng)力分布，從圖中可以看出，淬火后試樣表面殘余應(yīng)力數(shù)值為負(fù)數(shù)，表明產(chǎn)生壓應(yīng)力。而心部應(yīng)力數(shù)值是正數(shù)，為拉應(yīng)力。淬火冷卻初始階段圓環(huán)三角試樣表層快速冷卻收縮量較大，心部溫度相對下降較慢收縮量較小，這就導(dǎo)致試樣表層受到拉應(yīng)力而心部受到壓應(yīng)力，隨著冷卻過程的繼續(xù)進(jìn)行，試樣表層溫度基本不變，收縮量較小，但心部由于冷卻較慢繼續(xù)收縮，這樣就導(dǎo)致淬火試樣表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力而心部產(chǎn)生拉應(yīng)力[11-13]。隨著試樣截面的變化，殘余應(yīng)力分布不均勻，可以看出，x方向殘余應(yīng)力在上下圓弧附近最大。y方向的殘余應(yīng)力(S22)同樣呈現(xiàn)表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力，沿著三角形兩腰方向殘余應(yīng)力較大，且沿著底邊方向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢，殘余拉應(yīng)力達(dá)到了120 MPa左右，由于沿著兩腰朝頂點(diǎn)方向試樣的橫截面尺寸不斷增大，從而形成了對兩腰側(cè)底部較大的拉應(yīng)力。淬火后圓環(huán)三角試樣z方向上的殘余應(yīng)力(S33)幾乎為0 MPa，由于圓環(huán)三角試樣較薄(5 mm)，且沿厚度方向尺寸均勻，因此，在該方向上沒有形成明顯的殘余應(yīng)力分布。

圖2 模擬得到固溶淬火態(tài)圓環(huán)三角試樣在不同方向上的殘余應(yīng)力分布云圖Fig.2 Residual stress distribution nephogram in different directions of ring triangular specimen treated by solution+quenched were obtained by simulation: a) S11-x direction surface residual stress distribution nephogram; b) S11-x direction central stress distribution nephogram; c) S22-y direction surface residual stress distribution nephogram; d) S22-y direction central stress distribution nephogram; e) S33-z direction surface residual stress distribution nephogram; f) S33-z direction central stress distribution nephogram

通過以上分析可以看出，圓環(huán)三角試樣淬火后能夠在試樣內(nèi)部沿x和y方向形成明顯的不均勻殘余應(yīng)力分布，沿著三角形底邊切開后，y方向上的殘余應(yīng)力將會得到明顯釋放，同時x方向上的殘余應(yīng)力也會得到一定釋放，殘余應(yīng)力釋放最明顯的效果將會導(dǎo)致圓環(huán)三角的頂角角度和側(cè)面平行度的變化。其中y方向的殘余應(yīng)力對變形起著主導(dǎo)作用，z方向上沒有明顯殘余應(yīng)力分布可以避免試樣尺寸變化復(fù)雜導(dǎo)致難以精確測量變形的問題。經(jīng)過不同的工藝處理后，圓環(huán)三角試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布不同，從而沿試樣底邊開口后所引起的變形將會存在差異。因此，通過開口后試樣三角形頂角的尺寸和兩側(cè)面平行度的變化可以對試樣的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

2.2 圓環(huán)三角尺寸穩(wěn)定性

深冷處理技術(shù)是按照特定的工藝將材料或零部件置于-100 ℃以下的低溫環(huán)境下，通過材料顯微組織或殘余應(yīng)力的變化來實(shí)現(xiàn)材料性能的提升[14]。近年來，深冷處理在鋁合金殘余應(yīng)力釋放方面引起了廣泛關(guān)注，研究表明深冷處理能夠有效降低鋁合金殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性[15-17]。然而，目前對于深冷處理工藝方面還未達(dá)成共識，研究表明上坡淬火通過對試樣進(jìn)行快速冷卻和快速升溫能夠釋放材料殘余應(yīng)力，然而對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件難以實(shí)現(xiàn)升降溫的均勻控制，目前并未得到廣泛應(yīng)用。通過緩慢升降溫的冷熱循環(huán)方法同樣能夠釋放鋁合金殘余應(yīng)力[18]，但處理工藝方面并未達(dá)成廣泛共識，從而也制約了深冷處理技術(shù)的應(yīng)用。

為了驗(yàn)證圓環(huán)三角方法的有效性，采用深冷處理與7050鋁合金傳統(tǒng)固溶時效相結(jié)合，探索不同處理工藝對圓環(huán)三角尺寸穩(wěn)定性的影響，分別結(jié)合三角形頂角角度變化(Δθ)和試樣兩側(cè)面平行度變化進(jìn)行分析。從圖3可以看出，固溶淬火態(tài)試樣(S)開口前后角度變化最大，固溶態(tài)增加深冷(SC)或增加時效(SA)后開口角度變化均減小，而且兩者減小幅度相當(dāng)，固溶時效后增加深冷(SAC)開口角度變化進(jìn)一步小幅度減小。然而，值得注意的是固溶深冷后增加時效(SCA)圓環(huán)三角開口前后角度變化明顯減小。不同工藝處理后兩側(cè)面平行度的變化趨勢和角度變化趨勢基本一致，如圖4所示。

圖3 不同工藝處理后圓環(huán)三角試樣開口前后角度變化Fig.3 Angle changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

圖4 不同工藝處理后圓環(huán)三角開口前后平行度變化Fig.4 Parallelism changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

通過以上結(jié)果可以看出，固溶淬火態(tài)(S)由于快速冷卻試樣殘余應(yīng)力較高，SA是鋁合金常規(guī)的處理工藝，時效過程一方面促進(jìn)鋁合金第二相析出，起到析出強(qiáng)化的作用，另一方面也能降低淬火殘余應(yīng)力。固溶后的深冷處理對鋁合金難以起到常規(guī)時效的作用，但卻能夠釋放淬火態(tài)殘余應(yīng)力，提高鋁合金零件的尺寸穩(wěn)定性，SAC能進(jìn)一步釋放鋁合金殘余應(yīng)力，但其降低幅度較小，然而SCA能夠顯著提高鋁合金尺寸穩(wěn)定性?？梢钥闯?，深冷處理與傳統(tǒng)熱處理的不同結(jié)合工序?qū)︿X合金尺寸穩(wěn)定性有著不同的影響效果，其中固溶后時效前增加深冷處理能夠顯著提高鋁合金的尺寸穩(wěn)定性。

2.3 鋁合金殘余應(yīng)力分布

為了證實(shí)殘余應(yīng)力對尺寸穩(wěn)定性的影響，考慮到圓環(huán)三角試樣殘余應(yīng)力分布不均勻，測試位置的差異會造成檢測結(jié)果差別較大，且采用盲孔法應(yīng)變片難以貼到較為典型的位置，所以采用尺寸為50 mm的7050鋁合金立方體來檢測不同工藝處理后中心位置的殘余應(yīng)力變化。首先針對原始態(tài)(R)和固溶淬火態(tài)(S)試樣進(jìn)行了殘余應(yīng)力檢測。由于原始材料自然時效5 a以上，試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力幾乎完全釋放，x和y方向上的殘余應(yīng)力接近于0 MPa，且隨深度增加均勻分布，如圖5 a)和 b)所示，這在一定程度上也證實(shí)了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。固溶淬火處理后立方體表面x和y方向均形成225 MPa左右的壓應(yīng)力，隨著深度的增加壓應(yīng)力逐漸減小并有轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的趨勢。圖5 c)和 d)對比了不同工藝處理后鋁合金的殘余應(yīng)力分布，從圖中可以看出，固溶時效處理(SA)后的殘余應(yīng)力相對于S態(tài)來說幅值有所減小，且分布相對較為均勻，SAC處理后表面壓應(yīng)力進(jìn)一步減小，隨深度的分布與SA相比變化不明顯，然而SCA處理后殘余應(yīng)力幅值明顯減小，且隨深度的分布更加均勻。因此，可以看出，不同工藝處理后殘余應(yīng)力的變化與尺寸穩(wěn)定性結(jié)果保持一致，其中固溶后時效前增加深冷處理試樣的殘余應(yīng)力幅值最低、分布最均勻、尺寸穩(wěn)定性最佳。該結(jié)果也充分說明了殘余應(yīng)力是鋁合金尺寸穩(wěn)定性的主要影響因素。

圖 5 不同工藝處理后7050鋁合金殘余應(yīng)力分布Fig.5 Residual stress distribution of 7050 aluminum alloy treated by different processes: a) residual stress distribution in x direction of S and R specimens; b) residual stress distribution in y direction of S and R specimens; c) residual stress distribution in x direction of SA, SAC and SCA specimens; d) residual stress distribution in y direction of SA, SAC and SCA specimens

3 結(jié)論

(1) 圓環(huán)三角試樣固溶淬火后在試樣內(nèi)部形成明顯的不均勻殘余應(yīng)力分布，且沿y方向的殘余應(yīng)力較高，該殘余應(yīng)力在試樣切開口的釋放對圓環(huán)三角試樣頂角的變化具有重要的決定性作用。

(2) 7050鋁合金固溶淬火后圓環(huán)三角開口前后頂角角度和兩側(cè)面平行度變化最大，說明其尺寸穩(wěn)定性最差，時效和深冷處理均能提高淬火態(tài)試樣尺寸穩(wěn)定性，固溶后時效前深冷處理的鋁合金尺寸穩(wěn)定性最佳。

(3) 7050鋁合金固溶淬火會產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，固溶后時效前深冷處理能夠有效降低鋁合金的殘余應(yīng)力，并促使殘余應(yīng)力分布均勻化。殘余應(yīng)力分布與尺寸穩(wěn)定性變化結(jié)果較為一致,說明圓環(huán)三角法能夠從殘余應(yīng)力層面對材料尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行有效評價。