7075铝合金残余应力松弛影响因素的实验研究.pdf

第５卷第２期２０ｌ１年６月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．５．Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０ｌｌ文章编号：１６７３－９９８１（２０１１）０２－０１１３－０４、７０７５铝合金残余应力松弛影响因素的实验研究＊胡永会，李益华中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室．湖南长沙４１００８３摘要：分别采用淬火和退火态喷砂两种强化工艺引入结构和表层集中残余应力．研究了在循环应力下具有不同残余应力状态的７０７５铝合金表层残余应力松弛现象．并基于应力松弛机理讨论了两种不同强化工艺下残余应力松弛规律的异同．分析结果表明．加载应力的状态与大小、残余应力的初始分布和冷作是影响两种强化工艺下残余应力松弛异同的主要因素．淬火强化引入的是梯度较小、非均匀分布的结构残余应力．而喷砂强化引入的是梯度大、均匀分布的表层残余应力．由于应力分布梯度与表层冷作程度的不同．在相同的加载条件下．喷砂样较淬火样有更大的应力松弛趋势．关键词：铝合金；淬火；喷砂；残余应力松弛；冷作；应力梯度中图分类号ｉＴＢ３２１文献标识码：Ａ７０７５铝合金因具有高强、高韧等特点，目前已成为现代航空航天工业重要的结构材料［１吨］．本文通过实验研究了７０７５铝合金残余应力在循环载荷下的应力松弛，探讨了应力松弛的规律和机理．实验结果表明，残余应力沿试样厚度方向分布的应力梯度是应力松弛的主要影响因素．包辛格效应下，交变循环拉压载荷较之单向循环拉伸载荷能更有效地释放残余应力；轧向应力与横向应力的变化规律类似；外加载荷特性、初始残余应力分布及冷作也对合金的残余应力松弛有重要的影响．１实验部分１．１试样的制备本实验所用的７０７５铝合金的主要成分为ｗ（Ｃｕ）一１，６％，硼（Ｍｇ）＝２．５０Ａ、ｗ（Ｃｒ）＝０．２３％、ｚｏ（Ｚｎ）＝５．６％，其余为Ａ１．利用线切割机取料，取料后对表面进行铣削，制得如图１所示的试样．将试样分为两组分别对其进行淬火强化（Ｑ）与退火后表面喷砂强化（Ａ十ＳＰ）处理，试样的长度方向均为轧向．图１７０７５铝合金试样Ｆｉｇ．１７０７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｐｅｃｉｍｅｎ℃热处理过程为从室温开始，以１００／ｈ的速率升温，保温１０℃ｍｉｎ，当固溶处理温度达到４８０后保温２ｈ．淬火方式为水浴淬火，退火工艺为随炉退火．采用加拿大Ｐｒｏｔｏ公司生产的ｉＸＲＤ衍射仪对退火试样进行测试，结果表明，退火试样为无应力板，用喷砂机对退火试样的表面进行喷砂处理．１．２实验方法采用上海华龙公司生产的ＷＰＬ一２５０型动静万能试验机标定试件的力学性能及引入动应力幅．试验过程中的加载频率为１０Ｈｚ，分别在第１００，５００，１０００，５０００，１００００和２００００个加载周期测量表面残余应力．—收稿日期：２０１０１卜２２＊基金项目：国家重点基础研究发展规划项目９７３项目（２０１０ＣＢ７３１７０３）作者简介ｉ胡永会（１９８５一），男，江苏徐州人，硕士研究生．万方数据材料研究与应用通过拉伸试验测得７０７５铝合金淬火试样的名义屈服点ｄｏｚ＝２９５ＭＰａ，退火后表面喷砂试样的名义屈服点Ｏｏ．２＝１７５ＭＰａ．两种试样的初始轧向（口？）、横向（ｄｊ）表面残余应力及相应的加载应力（氏）列于表１，表１中的每组数据均为两个试样测量结果的平均值．表１试样初始表面残余应力与相应的加载应力Ｔａｂｌｅ１Ｉｎｉｔｉａｌｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｓｔｒｅｓｓｅｓ２结果与讨论２．１循环载荷下残余应力松弛图２与图３分别为淬火试样与退火态表面喷砂试样在应力加载后的表面残余应力．髂乱羔＼Ｒ型硅ｊ镰卺！暄臻＼＼。、中ｌ号试样轧向～ｏ～ｌ号试样横向—ｏ－２号试样轧向一口一２号试样横向－－－０－－３号试祥轧向◆・一一．３号试样横向＂－－＊－－－４号试样轧向…，ｋ－４号试祥横向１０１００１０００１００００２００００加载次数／次，图２循环载荷下淬火铝板的表面残余应力变化Ｆｉｇ．２Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｑｕｅｎｃｈｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅｓｕｒｆａｃｅｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｅｌｏａｄｉｎｇ由图２可见，当循环加载应力较低时，经２００００次交变应力加载后，试样的表面残余应力没有明显的减小（试样１）．当复合应力（初始残余应力与外加载荷的矢量叠加）为材料屈服强度的８０％时（试样２），经２００００次加载后试样的表面残余应力约下降了１０，－一２０ＭＰａ，且在ｉ０００个加载周期后表面残余应力仍保持稳定，这是由于残余应力发生了松弛，而复合应力又远小于材料的屈服强度所致．由于包辛格效应，初始表面状态为压应力的试样在外加拉应力的作用下容易发生应力松弛，如试样３经压应力交变加载后，其表面残余应力并没有明显减小，此时残余应力松弛受到残余应力场的分布状态影响．由材料的包辛格效应可知，初始压应力承受同种性质交变载荷时易于松弛，而承受相反性质载荷时不利于松弛．当复合应力超过材料的屈服强度时（试样４），在应力加载的前期残余应力即明显减小，此时造成材料残余应力松弛的主要原因是材料的整体塑性变形．由图３可见，试样５经较低的单向循环应力加载后其表面残余应力没有明显减小，这是因为此时材料的表面应力历程仍处于压应力状态．当单向循环加载应力逐渐加大至接近材料的屈服强度时（试样８），材料的表面残余应力迅速下降，且出现拉伸应力状态．试样６在较大的交变循环加载（此时复合应力约为屈服强度的８７％）作用下，经２００００个周期后表面残余应力松弛率达２０％；试样７承受的复合应力为屈服强度的１１０％。循环加载５００次后即客。宰ｏ＝－鼍－●．寺。令ｏ．．■．：＿每心１１．ＩＩ＿ＩＩ－ｏ．Ｉ－ｌ－Ｉ，，－．－‘－＼．．＼一一＼０Ｏ０ＯＯ０Ｏ０ＯＯＯＯＯ加憎ＭＨ坨ｍ８６４２ｏ４万方数据第５卷第２期胡永会．等：７０７５铝合金残余应力松弛影响因素的实验研究１１５发生塑性变形，表面残余应力完全松弛，继续加载出现拉伸应力状态，但逐渐趋于稳定．青苎毒杀倒出熊镁陶韶加载次数／次图３循环载荷下退火态喷砂铝板的表面残余应力变化Ｆｉｇ．３Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆａｎｎｅａｌｅｄａｎｄ—ｓｈｏｔｐｅｅｎｅｄ—ａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅｓｕｒｆａｃｅｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ日苎乏Ｒ翅娥键ｌ距表面深度／岬由于残余应力使材料处在高弹性势能状态，在外力的触发下有利于破坏晶粒的横向平衡，故轧向残余应力和横向残余应力的变化一致口ｊ，且残余应力与载荷周期在应力松弛稳定阶段成对数线性下降关系．２．２表层残余应力分布将试样表面进行电解抛光后，采用逐层剥除法测量淬火及表面喷砂试样的初始表层残余应力分…布，对测量结果进行修正，并对修正结果用高阶多项式拟合，所得结果如图４所示．由图４（ａ）可见，淬火试样残余应力的分布状态是沿厚度方向由外到内“在５００ｍ内成单调下降，而试样表面喷砂会在距表面约３００＿ｕｍ内引入非常明显的非线性变化的应力梯度，淬火试样比表面喷砂试样表层的残余应力梯度至少低一个数量级，在相同应力水平的载荷下．由淬火强化引入的结构应力因其较低的整体与局部应力梯度，使淬火试样的应力松弛程度与松弛速率远低于应力梯度大的喷砂试样．距表面深Ｊ影．ａｍ图４淬火与表面喷砂试样表层残余应力分布（ａ）淬火试样；（ｂ）表面喷砂试样Ｆｉｇ．４Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｑｕｅｎｃｈｅｄａｎｄｓｈｏｔ・ｐｅｅｎｅｄ７０７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｐｅｃｉｍｅｎ（ａ）ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｐｅｃｉｍｅｎ；（ｂ）ｓｈｏｔ－ｐｅｅｎｅｄｓｐｅｃｉｍｅｎ２．３影响应力松弛的因素２．３．１加载应力的大小和状态当复合应力低于材料的屈服强度时，由于包辛格效应，残余应力会有所降低；当复合应力接近或超过材料的屈服强度时，残余应力可完全释放甚至出现反向应力，此时材料已发生了塑性变形．由于包辛格效应，在交变循环拉压载荷的作用下，材料开始屈服时的应力较低，因此，引入更多的局部微观塑性变形，比单纯的循环拉伸载荷能更有效地引起残余应力松弛．２．３．２残余应力的初始分布状态与大小万方数据材料研究与应用淬火态试样的结构残余应力梯度平缓，当复合应力接近材料的屈服强度时残余应力仅下降１５％左右；而表面喷砂试样的残余应力由于只分布在材料的表面，类似于整个面的应力集中，故残余应力容易消减．２．３．３试样的材料特性冷作对材料的屈服强度有显著的影响［５］，经表面处理后的构件内部有局部屈服强度梯度．在加工过程中，材料的表面经历了复杂的应变历程，其表面应力状态为双轴压缩，可能表现为屈服面状态［６］，从而造成表面微观屈服强度低于整体材料的屈服极限．因此，经表面喷砂的试样在复合应力低于材料的宏观屈服强度时，其表面残余应力也会大幅下降甚至出现应力反向．３结论（１）残余应力的松弛程度与速率取决于复合应力与材料屈服强度间的关系。当复合应力超过材料的屈服强度时，随复合应力的增加，残余应力迅速松弛甚至进入反向拉应力状态．（２）残余应力的松弛很大程度上受到初始应力水平与分布状态的影响．淬火试样的结构残余应力比喷砂试样的集中应力的应力梯度至少低一个数量级，在相同的循环载荷水平下，淬火试样的应力松弛量与速率远低于喷砂试样．（３）交变循环拉压载荷较之单向循环拉伸载荷能更有效地释放残余应力，且在应力松弛过程中，轧向和横向应力相互关联，同时变化且变化规律类似．（４）由表面冷作所引起的材料局部屈服强度梯度，使表面微观屈服强度低于整体材料的屈服极限，令残余应力更容易松弛．参考文献：［１－１胡永会．吴运新．郭俊康．７０７５铝合金喷砂表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律［Ｊ］．热加工工艺．２０１０．３９（１８）：２４－２７．［２］胡永会．吴运新．陈磊．喷丸处理７０７５铝合金循环载荷下表面残余应力的松弛规律［Ｊ］．材料研究与应用．２０１０．４（３）：１７４－１７９．［３］吴运新．廖凯．铝合金厚板拉伸过程横向残余应力消减分析［Ｊ］．材料工程．２００８（１０）：４５－４８．［４３胡华南．陈澄洲．周泽华．剥层测量残余应力的修正［Ｊ］．华南理工大学学报：自然科学版．１９９２．２０（４）：４７－５６．［５３航空工业部科学技术委员会．应变疲劳分析手册［Ｍ］．北京：科学出版社．１９８７．［６３王宏伟。马晋生．南俊马，等．表面微观屈服强度与疲劳—极限的关系［Ｊ］．金属学报．１９９１．２７（５）：Ａ３６５３６９．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｎｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｆ７０７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙＨＵＹｏｎｇｈｕｉ。ＬＩＹｉｈｕａＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｏｄｅｍＣｏｍｐｌｅｘＥｑｕｉｐｍｅｎｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｔｒｅｍｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３・ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｗｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ－－ｑｕｅｎｃｈｉｎｇａｎｄｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇｏｎ７０７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｉｔｉａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｓ．Ｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｓｔａｔｅａｎｄｍａｇｎｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｓｔｒｅｓｓ，ｉｎｉｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｃｏｌｄｗｏｒｋｉｎｇｈａｄｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｑｕｅｎｃｈｉｎｇｒｅｌａｘｅｄａｌｉｔｔｌｅｕｎｄｅｒｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｗｈｉｌｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇｒｅｌａｘｅｄａｌｏｔｏｎｔｈｅｓａｍｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｓｃａｌｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｃｏｌｄｗｏｒｋｉｎｇ．Ｇｒｅａｔｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｃｃｕｒｅｄｉｎｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙ—ｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇｗｉｔｈａｇｒｅａｔｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔ，ｗｈｉｌｅｓｔｒｅｓｓｒｅ－ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｃｃｕｒｅｄｉｎｔｈｅｎｏｎ－ｕｎｉｆ０１Ｔｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｑｕｅｎｃｈｉｎｇｗｉｔｈａｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗｅｒｓｔｒｅｓｓｇｒａｄｉｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ｓｈｏｔｐｅｅｎｉｎｇ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｌａｘａｔｉｏｎ；ｃｏｌｄｗｏｒｋｉｎｇ；ｓｔｒｅｓｓ—ｇｒａｄｉｅｎｔ万方数据