铝合金厚板淬火-预拉伸内应力形成机理及其测试方法研究

摘要

超高强铝合金厚板是重要的航空工业材料，也是国家“大飞机”项目薄壁构件板坯的主要用材，因而对制备过程中材料组织均匀性、机械性能和内应力水平的控制都有着极高的要求。内应力又称残余应力，是生产制备过程中不可避免的平衡于材料内部的弹性力，是塑性变形不均匀的必然结果。工程中，残余应力对厚板的使用与加工有很大负面影响，例如板内应力致使板材淬火断裂、材料内部缺陷、预拉伸厚板加工扭曲变形等，既影响了成材率，也造成后续构件的加工精度难以达到要求。因此，开展对厚板应力形成机理与测试方法的研究具有十分重要的意义。本文以高强铝合金7075轧制厚板为研究对象，围绕厚板淬火-预拉伸残余应力的形成、分布与演变规律，从理论分析到实验研究，建立了残余应力形成过程热-力准耦合数学模型和有限元仿真模型，揭示了残余应力场形成的宏微观机理和分布规律，并研究了准确求取厚板残余应力的测试方法。
　　 运用弹塑性力学、热力学和有限元理论方法，分析了厚板淬火热传导过程中残余应力的形成，以及预拉伸塑性变形对材料应力场的演变，并对两者物理过程中应力-应变关系进行了较为完整的数学描述。同时，将应力连续变化过程离散为有限元数学模型，通过非线性有限元软件MSC.Marc建立了厚板淬火-预拉伸应力场有限元仿真模型。研究过程中，提出用离散解析方法求解换热系数，解决了模型热边界条件的求取问题，以便分析淬火温度与换热强度之间的关系。
　　 运用材料学和晶体变形理论，展开了对厚板淬火-预拉伸残余应力形成机理和演变过程的研究，从宏观塑性变形的差异，到局部微观组织表现的各向异性特征，揭示了厚板应力形成的本质在于塑性变形或局部变形的不均匀和不一致性所致。文中运用典型微结构抽象模型分析方法，分别对不同微区结构中晶粒相互作用形式，进行了微观应力不均匀和变化波动演变机理的分析，较好地揭示了微区应力变化波动现象。通过有限元仿真和实验计算，研究归纳了厚板残余应力形成与演变的一般规律，包括预拉伸板应力“M”双峰型分布形成原因、预拉伸板锯切区范围讨论等。同时，探讨了拉伸状态非对称因素对预拉伸厚板应力场分布的影响，如拉伸夹钳失效问题、厚板裂纹缺陷问题等，提出了可供参考意见和建议。
　　 为了获得厚板真实应力场，将积分算法引入到层削实验方法中，构建内应力计算数学模型，求取厚板深度应力场。同时，借助相应的铣削仿真与实验研究，提出层削实验应力计算的修正方法，提高了测试方法的正确性。进一步，总结了积分型层削法特点，分析层削实验计算的误差来源，求得其应力计算总不确定度小于10MPa，证明积分型层削法具有较高的计算精度。同时，为揭示厚板取样对测试的影响机理，研究了厚板取样过程中存在的应力分布非均匀特征，实验结果表明：取样平面尺寸大于2～3倍板厚对保证测试稳定性非常关键，而常规取样和实验加工方法对测试结果的影响很小。
　　 为保证测试结果的正确性和测试方法的可靠性，建立了仿真-实验综合方法，多层次互补地实现对厚板应力场的准确描述，该方法包括X-ray表面应力测定、应力场有限元仿真、力学实验测试方法。X-ray衍射测试用于标定厚板表面应力，修正换热边界条件，使有限元仿真模型计算结果能较好反映实际应力分布。同时，为揭示层削实验中变形累积增大的误差根源，构造层削实验应力计算修正函数，为完备实验测试方法的正确性研究提供依据。
　　 借助实验测试方法，完成对不同规格、不同状态下厚板残余应力的测试分析，结果表明：(1)淬火应力分布主要取决于淬火强度，沿深度两平面应力的分布状况基本相似。(2)预拉伸应力评估的结果显示，内部最先塑性变形是整个厚板应力消减的关键点，综合考虑消减效果和拉伸效率，1.8％～2.5％拉伸量是一个合适的拉伸范围。(3)预拉伸板应力水平基本处于±20MPa左右，说明预拉伸工艺对厚板残余应力分布有一定均化作用。(4)积分型层削计算方法能准确测得厚板应力场分布，尤其对预拉伸板这类低应力测试对象，仍能较客观地反映厚板应力分布，说明上述测试方法的研究成果能够用来解决厚板应力场测试问题。
　　 本文得到了国家重点基础研究发展计划项目“高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究”，其中第八子课题“大规格铝材非均匀多相组织和内应力场的产生与演变(2005CB623708)”的资助。