一种含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场分析方法

摘要

一种含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场分析方法，基于X射线衍射法、晶粒取向信息及激光喷丸有限元模拟结果分析残余应力，利用化学铣削进行剥层，基于X射线衍射、晶粒取向信息和ABAQUS激光喷丸有限元模拟对2024T351铝合金激光喷丸产生的残余应力场进行分析，是一套完整的、适应强织构材料残余应力分析的方法，该方法针对材料的逐层剥除问题、晶粒择优取向导致的材料各向异性现象及数据可靠性较差问题，对X射线衍射法分析残余应力的方法进行了细节上的优化，包括化学铣削剥层、考虑晶粒取向信息的残余应力计算、数据筛选的结合应用。本发明通过平面逐层剥离，使化铣窗口内表面平整，对提高残余应力测试的准确性有着积极的作用，得到可靠的应力数据。

说明书

技术领域

本发明涉及应力检测技术领域，具体是一种利用化学铣削进行剥层，通过X射线衍射法和晶粒取向信息，并结合ABAQUS激光喷丸有限元模拟结果对2024T351铝合金激光喷丸产生的残余应力场进行分析的方法。

背景技术

激光喷丸成形与喷丸成形原理类似，是一种利用残余应力场的释放来实现成形目的的先进技术，激光喷丸技术中，材料的残余应力场是由高能激光束诱导产生的冲击波作用于材料表面并向材料内部传播，引发不均衡的弹塑性变形而产生的，相较于传统喷丸，具有引入残余压应力层更深、准备周期短、参数可控等优点，这也意味着激光喷丸成形能力更强、成形后工件抗疲劳性能更好、成形效率更高，且理论上可实现精确成形，在航空航天制造领域具有很大的潜力。对激光喷丸工件内部引入的残余应力场进行测试分析，不仅能为成形的控制提供参考，也对工件性能改良的评估有所帮助。

目前，X射线衍射法是残余应力测试中最常用的一种表面无损检测方法，但该方法应用于喷丸成形残余应力的检测过程中有许多限制，例如，为了得到工件内部的残余应力，需要在保证待测表面的光洁度、不改变原有残余应力的同时剥除材料，此过程一般通过电解实现，但实践表明，电解剥层难以控制，剥层表面光滑但不平整，对X射线衍射测残余应力的准确性存在不利影响；另外，目前传统的X射线衍射法在测试强织构材料的残余应力时，衍射角2θ和晶面特征sin

针对激光喷丸件残余应力测试问题，在公告号为CN 108827513 B的发明专利中公开了一种经激光喷丸处理的薄板的平面残余应力检测方法，是一种通过设计切割方式来防止重力影响导致的切割面变形，获取更高精度的平面残余应力值，但该方法只适用于薄板残余应力的测试，且仍需借助X射线衍射分析获取微观残余应力的分布，对于强织构材料，没有相应的解决方法。

针对X射线衍射强织构材料残余应力分析问题，在公开号为CN105021331A的发明创造中公开了一种基于X射线衍射全谱的多晶材料残余应力测量方法，该方法利用X射线衍射全谱，获取晶粒取向体积分数，据此对测得应变进行修正，削弱了晶粒的择优取向对残余应力测定结果的影响，是一种针对应变均值的取值进行修正的方法，但该方法未体现织构对材料性质的影响。在公开号为CN112326084A的发明创造中公开了一种利用X射线测量含织构材料残余应力的方法，该方法在特定晶面某强织构取向方向上，根据测得的d

发明内容

为克服现有技术中存在的不适用织构材料和不适于工程应用的不足，本发明提出了一种含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场分析方法。

本发明提出的含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场分析方法具体过程是：

步骤1，铝合金试块的预处理：

所述铝合金试块的预处理包括以下内容：

第一步，测量并记录所述铝合金试块的外形尺寸。

第二步，铝合金试块表面除油。通过除油溶液进行表面除油。

第三步，涂胶并固化。将保护胶逐层均匀刷涂在所述铝合金试块的各表面，所述保护胶的总厚度为0.2mm。

第四步，获取铝合金试块的初始测试表面H

第五步，建立初始试块坐标系G

在所述初始测试表面H

经过所述步骤1第一步至第五步，完成铝合金试块的预处理。

步骤2，采集初始测试表面H

所述初始测试表面H

通过Proto-iXRD残余应力分析系统采用X射线衍射分析方法进行测试点X

第一步，放置铝合金试块。

第二步，对焦。

第三步，采集初始表面H

通过坐标系旋转变换在所述测试表面H

初始试块坐标系G

设定采集方法为多重曝光方法，单次曝光时间为2s，曝光次数为10次。

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

第四步，采集初始表面H

以所述试块坐标系G

重复本步骤中所述第二步所述对焦的过程。

通过坐标系旋转变换在所述测试表面H

初始试块坐标系G

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

经过所述步骤2第一步至第四步，得到所述测试点O

步骤3，获取铝合金试块的第一测试表面H

第一步，配制化铣液。

第二步，剥层准备。

第三步，化学铣削剥层。

第四步，清洗。

第五步，确定第一测试表面H

第六步，建立试块坐标系G

步骤4，采集第一测试表面H

所述第一测试表面H

通过Proto-iXRD残余应力分析系统采用X射线衍射分析方法进行测试点X

第一步，放置铝合金试块。

第二步，对焦。

第三步，采集第一测试表面H

建立测量坐标系

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

第四步，采集第一测试表面H

以所述试块坐标系G

重复本步骤中所述第二步所述对焦的过程。

建立测量坐标系

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系L

经过所述步骤4第一步至第四步，得到所述第一测试表面H

步骤5，获取铝合金试块的第二测试表面H

第一步，化学铣削剥层。

第二步，清洗，

第三步，确定第二测试表面H

第四步，建立试块坐标系G

步骤6，获取铝合金试块的其余测试表面H

重复所述步骤5的过程，对所述铝合金试块表面依次进行化学铣削剥层，依次得到其余各测试表面H

每次化学铣削剥层后，重复所述步骤4过程，依次分别测试得到的各测试表面H

步骤7，计算残余应力实测值：

通过步骤2至6中得到的测试点O’

所述晶粒取向信息用晶粒的三个欧拉角γ

通过所述晶粒取向信息建立各晶粒坐标系。如图2所示，晶粒坐标系C

所述计算实测应力的具体过程如下，

第一步，采用三维正态分布函数近似晶粒的取向分布，晶粒取向分布函数为，

其中，P为表示晶粒取向的三个欧拉角(γ

第二步，在试块坐标系G

其中，

第三步，基于最小二乘法计算测试点O

步骤8，确定残余应力分布规律曲线：

第一步，通过ABAQUS有限元软件前处理模块建立该2024T351铝合金激光喷丸冲击模型。

第二步，通过ABAQUS有限元软件计算2024T351铝合金激光喷丸冲击模型。

第三步，计算2024T351铝合金激光喷丸回弹模型的计算。

第四步，提取模拟数据。

第五步，用pq后缀代替应力S的下标，pq＝11,22,12，对步骤8第四步中得到的S

步骤9，筛选：

用pq后缀代替步骤8所得应力S下标及步骤7所得残余应力实测值σ下标，pq＝11,22,12。

对残余应力S

以实测残余应力值σ

至此，完成对所述含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场的分析。

本发明针对2024T351铝合金激光喷丸产生的残余应力场检测及分析问题，提出了一种利用化学铣削进行剥层，基于X射线衍射法、晶粒取向信息及激光喷丸有限元模拟结果分析残余应力的方法。

本发明中，激光喷丸工艺引入的残余压应力层较深，利用X射线衍射技术对其进行分析时，需逐层剥除材料，以获取沿厚度方向的残余应力情况，此过程常采用电解腐蚀实现，但电解腐蚀剥层对电解参数及化学试剂浓度要求较高，在实际应用中不易控制，且腐蚀后表面曲率难以控制，这将导致衍射线展宽、峰值位置改变以及衍射线强度失准，严重影响残余应力的测试精度。而本发明经化学铣削剥层在化铣液覆盖处均匀向下腐蚀，可以实现平面的逐层剥离，化铣窗口内表面平整，对提高残余应力测试的准确性有着积极的作用。

X射线衍射法测定残余应力的基本原理为用晶格应变近似宏观应变，假定材料各向同性，由此求得残余应力，但当材料存在强织构时，晶粒取向择优分布，材料在弹塑性变形中均表现出各向异性特质，因而，针对轧制材料存在的强织构问题，在X射线衍射测定残余应力过程中结合晶粒取向对材料属性参数进行调整，可一定程度上削弱织构对残余应力测定的影响。

X射线衍射法测残余应力对材料表面状况和表层微观结构要求严苛，测得数据可靠性不足，重复性差。通过多次测量获取足量数据，以ABAQUS有限元模拟结果为标尺进行数据筛选，可得到较为可靠的应力数据。

本发明利用化学铣削进行剥层，基于X射线衍射(XRD)、晶粒取向信息和ABAQUS激光喷丸有限元模拟对2024T351铝合金激光喷丸产生的残余应力场进行分析，是一套完整的、适应强织构材料残余应力分析的方法，该方法针对材料的逐层剥除问题、晶粒择优取向导致的材料各向异性现象及数据可靠性较差问题，对X射线衍射法分析残余应力的方法进行了细节上的讨论与变动，包括化学铣削剥层、考虑晶粒取向信息的残余应力计算、基于ABAQUS有限元模拟的数据筛选等方法的结合应用。

如图3及图4所示，相较于传统XRD法测得应力数据3，本发明得到的残余应力实测值5同模拟数据的多项式拟合曲线6的一致性提高了47.1％；对模拟数据的多项式拟合曲线6进行平移变换得到标尺曲线7，使得残余应力实测值5到标尺曲线7的误差平方和最小，得到的残余应力实测值5同标尺曲线7的一致性进一步提高了27.5％；最后，以标尺曲线7为基准，去除点集5中30％的大误差应力数据，剩余应力数据，即去除大误差数据点后的应力数据8同标尺曲线7的一致性进一步提高了87.6％。

附图说明

图1是试块坐标系G及测量坐标系L关系示意图。

图2是试块坐标系G与晶体坐标系C关系示意图。

图3是残余应力实测值筛选示意图。

图4是经筛选后的残余应力实测值示意图。

图5是本发明技术方案的示意图。

图6是本发明的流程图。

图中：1.距激光喷丸表面距离；2.残余应力；3.传统XRD法测得应力数据；4.模拟所得应力数据；5.本发明得到的残余应力实测值；6.模拟数据的多项式拟合曲线；7.标尺曲线；8.去除大误差数据点后的残余应力实测值。

具体实施方式

本实施例是一种含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场的测试分析方法。

待测件为经过激光喷丸的2024-T351铝合金试块，其外形尺寸为100mm×100mm×50mm，方形的激光喷丸区域位于该铝合金试块100mm×100mm面的正中央，该激光喷丸区域的外廓尺寸为50mm×50mm。所述激光喷丸采用4mm×4mm的方形光斑进行，激光能量为30J，光斑间距为3.4mm。其残余应力场分析计算步骤如下：

步骤1，铝合金试块的预处理：

所述铝合金试块的预处理包括以下内容：

Ⅰ测量并记录所述铝合金试块的外形尺寸。本实施例中，该铝合金试块的长宽高为100mm×100mm×50mm。

Ⅱ铝合金试块表面除油。选用耐酸耐碱的316不锈钢丝绑扎制作一个内腔尺寸略大于该铝合金试块的铁笼；将所述铝合金试块装在铁笼中，完全浸入除油溶液中浸泡15min，进行表面除油。

所述除油溶液由氢氧化钠、磷酸钠、硅酸钠和水组成，其配比为氢氧化钠：磷酸钠：硅酸钠：水＝1：4：3：100，所述配比的单位为质量份。

对所述铝合金试块除油需配制2L除油溶液。配制时，按所述氢氧化钠、磷酸钠、硅酸钠与水的质量比称取20g氢氧化钠、80g磷酸钠及60g硅酸钠并放入不锈钢容器中；将2000ml水均分为两份。将其中一份水加入不锈钢容器中充分搅拌均匀；将另一份水继续加入不锈钢容器充分搅拌均匀，得到所述除油溶液。

将装有除油溶液的不锈钢容器放置在水浴锅中。设置水浴锅温度为100℃，为除油溶液加热。当除油溶液温度达70℃时，设置水浴锅温度为90℃对该除油溶液保温。

将所述铝合金试块浸入70℃的除油溶液中浸泡15min，进行表面除油。

Ⅲ涂胶并固化。将格瑞化工生产的局部电镀保护胶搅拌至无明显结块，逐层均匀刷涂在所述铝合金试块的各表面，所述保护胶的总厚度为0.2mm。刷涂时，相邻两层化铣保护胶的刷涂方向为90°交叉。每刷涂一层该保护胶后需在室温下干燥60min，完成涂胶后的铝合金试块在室温下固化8h。

Ⅳ获取铝合金试块的初始测试表面H

测量初始测试表面H

Ⅴ建立初始试块坐标系G

在所述初始测试表面H

经过上述工步，完成铝合金试块的预处理。

步骤2，采集初始测试表面H

所述初始测试表面H

通过Proto-iXRD残余应力分析系统采用X射线衍射分析方法进行测试点X

第一步，放置铝合金试块。将所述铝合金试块放置在Proto-iXRD残余应力分析系统中的水平工作台上，并使Proto-iXRD残余应力分析系统中的X射线衍射仪摆动平面与X

第二步，对焦。具体方法为：

控制装有对焦针的X射线衍射仪摆动头下行，使所述对焦针与所述测试点O’

第三步，采集初始表面H

本实施例中，设定所述X射线衍射仪摆动头的摆动基准角β

通过坐标系旋转变换在所述测试表面H

初始试块坐标系G

设定采集方法为多重曝光方法，单次曝光时间为2s，曝光次数为10次。

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

第四步，采集初始表面H

以所述试块坐标系G

对焦。所述对焦过程与本步骤中所述第二步的对焦过程相同。

X射线衍射仪摆动头的摆动基准角β

初始试块坐标系G

通过XrdWin软件读取初始表面H

至此，结束步骤2，得到初始表面H

步骤3，获取铝合金试块的第一测试表面H

第一步，配制化铣液。所述化铣液由氢氧化钠、三乙醇胺、硫化钠和水配制而成，并且氢氧化钠：三乙醇胺：硫化钠：水＝28：7：4：200，所述配比单位为质量份，本实施例共配制2L化铣液于不锈钢容器中。。

第二步，剥层准备。将装有化铣液的不锈钢容器放置在水浴锅中，调节水浴锅温度，使得所述化铣液的温度稳定在70℃。

第三步，化学铣削剥层。将待测的铝合金试块装入铁笼内并浸入化铣溶液中持续6min，进行化铣。

第四步，清洗铝合金试块。

用常温自来水冲洗经过第一次化学铣削剥层的铝合金试块。

将经过冲洗后的待测的铝合金试块置于浓度为40％的硝酸溶液中浸渍10s。浸渍结束后，再次用常温自来水冲洗至试块表面无硝酸残留。完成清洗后吹干待测的铝合金试块的表面。

第五步，确定第一测试表面H

第六步，建立试块坐标系G

步骤4，采集第一测试表面H

所述第一测试表面H

通过Proto-iXRD残余应力分析系统采用X射线衍射分析方法进行测试点X

第一步，放置铝合金试块。将该铝合金试块放置在Proto-iXRD残余应力分析系统中的水平工作台上，并使Proto-iXRD残余应力分析系统中的X射线衍射仪摆动平面与X

第二步，对焦。具体方法为：

控制装有对焦针的X射线衍射仪摆动头下行，使所述对焦针与所述测试点O’

第三步，采集第一测试表面H

X射线衍射仪摆动头的摆动基准角β

建立测量坐标系

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

第四步，采集第一测试表面H

以所述试块坐标系G

所述对焦过程与本步骤中所述第二步的对焦过程相同。

X射线衍射仪摆动头的摆动基准角β

建立测量坐标系

通过Proto-iXRD残余应力分析系统，在各测量坐标系

经过上述工步，得到所述第一测试表面H

步骤5，获取铝合金试块的第二测试表面H

重复步骤3所述获取铝合金试块的第一测试表面H

第一步，将待测的铝合金试块装入铁笼内并浸入步骤3第二步得到的化铣液中，持续6min，进行化铣。

第二步，清洗，操作同步骤3第四步。

第三步，确定第二测试表面H

第四步，建立试块坐标系G

步骤6，获取铝合金试块的其余测试表面H

重复所述步骤5的过程，对所述铝合金试块表面依次进行化学铣削剥层，依次得到其余各测试表面H

每次化学铣削剥层后，重复所述步骤4过程，依次分别测试得到的各测试表面H

步骤7，计算残余应力实测值：

通过步骤2至6，分别得到各测试点O’

所述晶粒取向信息是通过电子背散射衍射方法得到的，共计532303组，每组晶粒取向信息用晶粒的三个欧拉角γ

通过所述晶粒取向信息建立各晶粒坐标系。如图2所示，晶粒坐标系C

所述计算残余应力实测值的具体过程如下，

第一步，采用三维正态分布函数近似晶粒的取向分布，晶粒取向分布函数为，

其中，P为表示晶粒取向的三个欧拉角组成的向量(γ

第二步，在试块坐标系G下，计算铝合金试块宏观平均的柔性常数矩阵

其中，

其中，

式(2)至(5)中，S为柔性常数矩阵；C为刚性常数矩阵；

式(5)中，C

式(3)中，在各晶粒坐标系C

S

所述各晶粒坐标系C向试块坐标系G的单转换矩阵A(3×3)通过公式(8)确定，

双转换矩阵M

其中，γ

第三步，计算测试点O’

根据胡克定律，测试点O处

其中，

其中，试块坐标系G到测量坐标系L的单坐标转换矩阵B(3×3)为，

式(11)中，

基于B(3×3)构造双坐标转换因子矩阵M

其中，将公式(12)中的下标记为ij，i＝1,2,3，j＝1,2,3，b

式(10)中，测量坐标系L下的平均宏观柔性常数矩阵

其中，

将XRD测得残余应力视为平面应力状态，即应力张量σ中仅σ

对于式(14)，将应变ε和测量坐标系L的数字下标记为j，

求解式(14)，可得到铝合金试块测试点O’

步骤8，确定残余应力分布规律曲线：

第一步，通过所述ABAQUS有限元软件前处理模块建立该2024T351铝合金激光喷丸冲击模型。采用半无限体模型近似激光喷丸试块，即除喷丸表面外，其余各表面外层均覆有CIN3D8单元；材料的本构模型选用2024T351铝合金在10

第二步，通过所述ABAQUS有限元软件计算2024T351铝合金激光喷丸冲击模型；应用job-create命令创建冲击模型作业。得到2024T351铝合金激光喷丸冲击模拟的odb结果文件。

第三步，2024T351铝合金激光喷丸回弹模型的计算。将得到的所述2024T351铝合金激光喷丸冲击模拟odb结果文件以模型形式导入ABAQUS中；去除CIN3D8单元；选用静态分析方法；应用job-create命令创建冲击模型作业，得到2024T351铝合金激光喷丸有限元模拟的odb结果文件。

第四步，通过ABAQUS有限元软件后处理模块提取模拟数据。在ABAQUS的visualization中打开得到的所述2024T351铝合金激光喷丸有限元模拟的odb结果文件，提取距喷丸表面0至2mm深度的面中心单元的X向残余应力S

第五步，用pq后缀代替应力S的下标，pq＝11,22,12，采用现有技术对步骤8第四步中得到的S

步骤9，筛选：

用pq后缀代替步骤8所得应力S下标及步骤7所得残余应力实测值σ下标，pq＝11,22,12。

对残余应力S

以实测残余应力值σ

至此，完成对所述含织构航空铝合金激光喷丸残余应力场的分析。