胡永會(huì),李益華

中南大學(xué)現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083

7075鋁合金殘余應(yīng)力松弛影響因素的實(shí)驗(yàn)研究＊

胡永會(huì),李益華

中南大學(xué)現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410083

分別采用淬火和退火態(tài)噴砂兩種強(qiáng)化工藝引入結(jié)構(gòu)和表層集中殘余應(yīng)力,研究了在循環(huán)應(yīng)力下具有不同殘余應(yīng)力狀態(tài)的7075鋁合金表層殘余應(yīng)力松弛現(xiàn)象,并基于應(yīng)力松弛機(jī)理討論了兩種不同強(qiáng)化工藝下殘余應(yīng)力松弛規(guī)律的異同.分析結(jié)果表明,加載應(yīng)力的狀態(tài)與大小、殘余應(yīng)力的初始分布和冷作是影響兩種強(qiáng)化工藝下殘余應(yīng)力松弛異同的主要因素.淬火強(qiáng)化引入的是梯度較小、非均勻分布的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力,而噴砂強(qiáng)化引入的是梯度大、均勻分布的表層殘余應(yīng)力.由于應(yīng)力分布梯度與表層冷作程度的不同,在相同的加載條件下,噴砂樣較淬火樣有更大的應(yīng)力松弛趨勢(shì).

鋁合金;淬火;噴砂;殘余應(yīng)力松弛;冷作;應(yīng)力梯度

7075鋁合金因具有高強(qiáng)、高韌等特點(diǎn),目前已成為現(xiàn)代航空航天工業(yè)重要的結(jié)構(gòu)材料[1-2].本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了7075鋁合金殘余應(yīng)力在循環(huán)載荷下的應(yīng)力松弛,探討了應(yīng)力松弛的規(guī)律和機(jī)理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,殘余應(yīng)力沿試樣厚度方向分布的應(yīng)力梯度是應(yīng)力松弛的主要影響因素.包辛格效應(yīng)下,交變循環(huán)拉壓載荷較之單向循環(huán)拉伸載荷能更有效地釋放殘余應(yīng)力;軋向應(yīng)力與橫向應(yīng)力的變化規(guī)律類(lèi)似;外加載荷特性、初始?xì)堄鄳?yīng)力分布及冷作也對(duì)合金的殘余應(yīng)力松弛有重要的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣的制備

本實(shí)驗(yàn)所用的7075鋁合金的主要成分為w(Cu)=1.6%,w(Mg)=2.5%、w(Cr)=0.23%、w(Zn)=5.6%,其余為Al.利用線(xiàn)切割機(jī)取料,取料后對(duì)表面進(jìn)行銑削,制得如圖1所示的試樣.將試樣分為兩組分別對(duì)其進(jìn)行淬火強(qiáng)化(Q)與退火后表面噴砂強(qiáng)化(A+SP)處理,試樣的長(zhǎng)度方向均為軋向.

圖1 7075鋁合金試樣Fig.1 7075 aluminum alloy specimen

熱處理過(guò)程為從室溫開(kāi)始,以100℃/h的速率升溫,保溫10min,當(dāng)固溶處理溫度達(dá)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.采用加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD衍射儀對(duì)退火試樣進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明,退火試樣為無(wú)應(yīng)力板,用噴砂機(jī)對(duì)退火試樣的表面進(jìn)行噴砂處理.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用上海華龍公司生產(chǎn)的W PL-250型動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定試件的力學(xué)性能及引入動(dòng)應(yīng)力幅.試驗(yàn)過(guò)程中的加載頻率為10 Hz,分別在第100,500,1000,5000,10000和20000個(gè)加載周期測(cè)量表面殘余應(yīng)力.

通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得7075鋁合金淬火試樣的名義屈服點(diǎn)σ0.2=295 M Pa,退火后表面噴砂試樣的名義屈服點(diǎn)σ0.2=175 M Pa.兩種試樣的初始軋向(σrR)、橫向(σrT)表面殘余應(yīng)力及相應(yīng)的加載應(yīng)力(σd)列于表1,表1中的每組數(shù)據(jù)均為兩個(gè)試樣測(cè)量結(jié)果的平均值.

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 Initial surface residual stress of specimens and the corresponding applied stresses

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)載荷下殘余應(yīng)力松弛

圖2與圖3分別為淬火試樣與退火態(tài)表面噴砂試樣在應(yīng)力加載后的表面殘余應(yīng)力.

圖2 循環(huán)載荷下淬火鋁板的表面殘余應(yīng)力變化Fig.2 Residual stress of quenched aluminum p late surface under cyclic loading

由圖2可見(jiàn),當(dāng)循環(huán)加載應(yīng)力較低時(shí),經(jīng)20000次交變應(yīng)力加載后,試樣的表面殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯的減小(試樣1).當(dāng)復(fù)合應(yīng)力(初始?xì)堄鄳?yīng)力與外加載荷的矢量疊加)為材料屈服強(qiáng)度的80%時(shí)(試樣2),經(jīng)20000次加載后試樣的表面殘余應(yīng)力約下降了10～20 M Pa,且在1000個(gè)加載周期后表面殘余應(yīng)力仍保持穩(wěn)定,這是由于殘余應(yīng)力發(fā)生了松弛,而復(fù)合應(yīng)力又遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度所致.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)力的作用下容易發(fā)生應(yīng)力松弛,如試樣3經(jīng)壓應(yīng)力交變加載后,其表面殘余應(yīng)力并沒(méi)有明顯減小,此時(shí)殘余應(yīng)力松弛受到殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)影響.由材料的包辛格效應(yīng)可知,初始?jí)簯?yīng)力承受同種性質(zhì)交變載荷時(shí)易于松弛,而承受相反性質(zhì)載荷時(shí)不利于松弛.當(dāng)復(fù)合應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)(試樣4),在應(yīng)力加載的前期殘余應(yīng)力即明顯減小,此時(shí)造成材料殘余應(yīng)力松弛的主要原因是材料的整體塑性變形.

由圖3可見(jiàn),試樣5經(jīng)較低的單向循環(huán)應(yīng)力加載后其表面殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯減小,這是因?yàn)榇藭r(shí)材料的表面應(yīng)力歷程仍處于壓應(yīng)力狀態(tài).當(dāng)單向循環(huán)加載應(yīng)力逐漸加大至接近材料的屈服強(qiáng)度時(shí)(試樣8),材料的表面殘余應(yīng)力迅速下降,且出現(xiàn)拉伸應(yīng)力狀態(tài).試樣6在較大的交變循環(huán)加載(此時(shí)復(fù)合應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度的87%)作用下,經(jīng)20000個(gè)周期后表面殘余應(yīng)力松弛率達(dá)20%;試樣7承受的復(fù)合應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的110%,循環(huán)加載500次后即發(fā)生塑性變形,表面殘余應(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.

圖3 循環(huán)載荷下退火態(tài)噴砂鋁板的表面殘余應(yīng)力變化Fig.3 Residual stress of annealed and shot-peened aluminum p late surface under cyclic loading

由于殘余應(yīng)力使材料處在高彈性勢(shì)能狀態(tài),在外力的觸發(fā)下有利于破壞晶粒的橫向平衡,故軋向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力的變化一致[3],且殘余應(yīng)力與載荷周期在應(yīng)力松弛穩(wěn)定階段成對(duì)數(shù)線(xiàn)性下降關(guān)系.

2.2 表層殘余應(yīng)力分布

將試樣表面進(jìn)行電解拋光后,采用逐層剝除法測(cè)量淬火及表面噴砂試樣的初始表層殘余應(yīng)力分布,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正[4],并對(duì)修正結(jié)果用高階多項(xiàng)式擬合,所得結(jié)果如圖4所示.由圖4(a)可見(jiàn),淬火試樣殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)是沿厚度方向由外到內(nèi)在500μm內(nèi)成單調(diào)下降,而試樣表面噴砂會(huì)在距表面約300μm內(nèi)引入非常明顯的非線(xiàn)性變化的應(yīng)力梯度,淬火試樣比表面噴砂試樣表層的殘余應(yīng)力梯度至少低一個(gè)數(shù)量級(jí),在相同應(yīng)力水平的載荷下,由淬火強(qiáng)化引入的結(jié)構(gòu)應(yīng)力因其較低的整體與局部應(yīng)力梯度,使淬火試樣的應(yīng)力松弛程度與松弛速率遠(yuǎn)低于應(yīng)力梯度大的噴砂試樣.

圖4 淬火與表面噴砂試樣表層殘余應(yīng)力分布(a)淬火試樣;(b)表面噴砂試樣Fig.4 Residual stress distribution of quenched and shot-peened 7075 aluminum alloy specimen(a)quenching treatment specimen;(b)shot-peened specimen

2.3 影響應(yīng)力松弛的因素

2.3.1 加載應(yīng)力的大小和狀態(tài)

當(dāng)復(fù)合應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度時(shí),由于包辛格效應(yīng),殘余應(yīng)力會(huì)有所降低;當(dāng)復(fù)合應(yīng)力接近或超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),殘余應(yīng)力可完全釋放甚至出現(xiàn)反向應(yīng)力,此時(shí)材料已發(fā)生了塑性變形.由于包辛格效應(yīng),在交變循環(huán)拉壓載荷的作用下,材料開(kāi)始屈服時(shí)的應(yīng)力較低,因此,引入更多的局部微觀(guān)塑性變形,比單純的循環(huán)拉伸載荷能更有效地引起殘余應(yīng)力松弛.

2.3.2 殘余應(yīng)力的初始分布狀態(tài)與大小

淬火態(tài)試樣的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力梯度平緩,當(dāng)復(fù)合應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度時(shí)殘余應(yīng)力僅下降15%左右;而表面噴砂試樣的殘余應(yīng)力由于只分布在材料的表面,類(lèi)似于整個(gè)面的應(yīng)力集中,故殘余應(yīng)力容易消減.

2.3.3 試樣的材料特性

冷作對(duì)材料的屈服強(qiáng)度有顯著的影響[5],經(jīng)表面處理后的構(gòu)件內(nèi)部有局部屈服強(qiáng)度梯度.在加工過(guò)程中,材料的表面經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)變歷程,其表面應(yīng)力狀態(tài)為雙軸壓縮,可能表現(xiàn)為屈服面狀態(tài)[6],從而造成表面微觀(guān)屈服強(qiáng)度低于整體材料的屈服極限.因此,經(jīng)表面噴砂的試樣在復(fù)合應(yīng)力低于材料的宏觀(guān)屈服強(qiáng)度時(shí),其表面殘余應(yīng)力也會(huì)大幅下降甚至出現(xiàn)應(yīng)力反向.

3 結(jié) 論

(1)殘余應(yīng)力的松弛程度與速率取決于復(fù)合應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度間的關(guān)系,當(dāng)復(fù)合應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),隨復(fù)合應(yīng)力的增加,殘余應(yīng)力迅速松弛甚至進(jìn)入反向拉應(yīng)力狀態(tài).

(2)殘余應(yīng)力的松弛很大程度上受到初始應(yīng)力水平與分布狀態(tài)的影響.淬火試樣的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力比噴砂試樣的集中應(yīng)力的應(yīng)力梯度至少低一個(gè)數(shù)量級(jí),在相同的循環(huán)載荷水平下,淬火試樣的應(yīng)力松弛量與速率遠(yuǎn)低于噴砂試樣.

(3)交變循環(huán)拉壓載荷較之單向循環(huán)拉伸載荷能更有效地釋放殘余應(yīng)力,且在應(yīng)力松弛過(guò)程中,軋向和橫向應(yīng)力相互關(guān)聯(lián),同時(shí)變化且變化規(guī)律類(lèi)似.

(4)由表面冷作所引起的材料局部屈服強(qiáng)度梯度,使表面微觀(guān)屈服強(qiáng)度低于整體材料的屈服極限,令殘余應(yīng)力更容易松弛.

[1]胡永會(huì),吳運(yùn)新,郭俊康.7075鋁合金噴砂表面殘余應(yīng)力在疲勞過(guò)程中的松弛規(guī)律[J].熱加工工藝,2010,39(18):24-27.

[2]胡永會(huì),吳運(yùn)新,陳磊.噴丸處理7075鋁合金循環(huán)載荷下表面殘余應(yīng)力的松弛規(guī)律[J].材料研究與應(yīng)用,2010,4(3):174-179.

[3]吳運(yùn)新,廖凱.鋁合金厚板拉伸過(guò)程橫向殘余應(yīng)力消減分析[J].材料工程,2008(10):45-48.

[4]胡華南,陳澄洲,周澤華.剝層測(cè)量殘余應(yīng)力的修正[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1992,20(4):47-56.

[5]航空工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì).應(yīng)變疲勞分析手冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,1987.

[6]王宏偉,馬晉生,南俊馬,等.表面微觀(guān)屈服強(qiáng)度與疲勞極限的關(guān)系[J].金屬學(xué)報(bào),1991,27(5):A 365-369.

Experimental study of influencing factors on residual stress relaxation of 7075 alum inum alloy

HU Yonghui,L I Yihua
Key Laboratory of M odern Com p lex Equipment Design and Extreme M anufacturing,Central South University,Changsha 410083,China

Structural residual stress and surface residual stresswere introduced by two strengthening processesquenching and shot peening on 7075 aluminum alloy to analyze the residual stress relaxation under cyclic loading with different initial residual stress states.The similarities and differences of residual stress relaxation under the two different strengthening p rocesses were discussed based on stress relaxation mechanism.The results showed that state and magnitude of the applied stress,initial distribution of the residual stress and cold working had great influence on the stress relaxation.Structural residual stress introduced by quenching relaxed a little under cyclic loading while the stress induced by shot peening relaxed a lot on the same cyclic stress scale because of different stress gradient and cold working.Great stress relaxation occured in the uniform surface residual stress introduced by shot-peening with a great stress gradient,while stress re-distribution occured in the non-uniform structural stress introduced by quenching w ith a relatively lower stress gradient.

aluminum alloy;quenching;sho t peening;residual stress relaxation;cold wo rking;stress gradient

TB321

A

1673-9981(2011)02-0113-04

2010-11-22

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目973項(xiàng)目(2010CB731703)

胡永會(huì)(1985-),男,江蘇徐州人,碩士研究生.