鋁合金厚板表面邊緣應(yīng)力釋放的實驗研究

1、鋁合金厚板表面邊緣應(yīng)力釋放的實驗研究梁旭坤1，袁海洋2，胡永會2（1.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410200；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083）摘要：采用X射線衍射法測試了淬火與鋸切后鋁合金厚板表面殘余應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，得到了厚板表面邊緣區(qū)域殘余應(yīng)力的分布區(qū)間和一般規(guī)律。結(jié)果表明，淬火與鋸切后厚板表面邊緣應(yīng)力分布趨勢大體相同，但淬火工藝是一種劇烈的熱量交換及快速冷卻過程，邊緣應(yīng)力分布呈現(xiàn)奇異性；而鋸切工藝是一種可忽略熱量

2、交換的慢速應(yīng)力重構(gòu)過程，應(yīng)力分布較為均勻。另外，應(yīng)力釋放范圍與板厚度有關(guān)，且應(yīng)力釋放程度受改變初始應(yīng)力分布狀態(tài)的工藝、板尺寸及約束方式影響。關(guān)鍵詞：X射線衍射法；鋁合金厚板；殘余應(yīng)力；邊緣效應(yīng)；淬火；鋸切中圖分類號：TG115.5；TG146.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AExperimentalstudyofsurfaceresidualstressrelaxationontheedgeofaluminumalloythickplateLIANG

3、Xukun1YUANHaiyang2HUYonghui2(1.HunanCollegeofInfmationChangsha410200China2.CollegeofMechanicalElectricalEngineeringCentralSouthUniversityChangsha410083China)Abstract:Surfaceresidualstressdistributionsgeneralrulesontheedg

4、eregionofquenchedsawedaluminumalloythickplateswereacquiredbyanalyzingstressesedgeeffectusingXraydiffractionmethod.Theresultsshowthatquenchingsawingcausesimilarresidualstressdistributiontrendsontheedgeofthethickplates.But

5、edgestressesdistributionafterquenchingdemonstratessomesingularitysincequenchingcontainshugeheatexchangerapidcoolingwhilestressesdistributionaftersawingisrelativelyunifmbecauseheatexchangeisnegligiblestressesreconstructio

6、nisslowinsawing.Inadditionstressrelaxationrangeisrelatedtotheplatethicknessthedegreeofstressrelaxationisinfluencedbytechnologieschangingtheinitialstressesdistributionsplatedimensionsconstrainttypes.Keywds:Xraydiffraction

7、methodaluminumalloythickplateresidualstressedgeeffectquenchingsawing圣維南原理（SaintVenant’sPrinciple）指出載荷的具體分布只影響載荷作用區(qū)附近的應(yīng)力分布[1]。鋁合金厚板的表面應(yīng)力分布也存在類似于圣維南原理的現(xiàn)象，可稱為邊緣效應(yīng)，即厚板邊緣無約束或微弱約束附近區(qū)域?qū)l(fā)生應(yīng)力釋放，且釋放范圍只影響邊緣附近的應(yīng)力分布[23]。本文采用X射線衍射法分別測

8、量7075高強(qiáng)鋁合金厚板經(jīng)淬火與鋸切后的殘余應(yīng)力邊緣效應(yīng)，分析邊緣效應(yīng)中應(yīng)力釋放區(qū)域，即特征距離[4]與板厚，及應(yīng)力釋放程度與改變初始應(yīng)力分布狀態(tài)的工藝、板尺寸與約束條件等之間的關(guān)系，具有顯著的工程應(yīng)用意義與價值。1試驗方案試驗用材為軋制7075鋁合金，主要成分如下（wt%）：銅1.6%、鎂2.5%、鉻0.23%、鋅5.6%，其余為鋁。初始試樣尺寸為120022030mm與120022040mm兩種，長度方向均為軋向。試樣熱處理過程為從

9、室溫開始，每小時升高100℃并保溫10分鐘，固溶溫度達(dá)到480℃后保溫2小時，采用水浴淬火。應(yīng)力測量設(shè)備為加拿大Proto公司生產(chǎn)的iXRD型便攜式衍射儀，其應(yīng)力測試誤差范圍為10MPa，基本測量參數(shù)為：Co靶，管電壓與電流為20kV與4mA，衍射晶面為（331），彈性常數(shù)為18.5606106。212S由于鋁合金厚板的對稱性與淬火的均勻性，將試驗應(yīng)力測試點布置在板縱向與橫向中心線對稱的位置。首先，原始鋁合金厚板的表面應(yīng)力測試點沿板長與

10、寬方向的點間隔分別定為100mm與40mm；之后，利用DK7732型電火花數(shù)控切割機(jī)床對兩種厚度板以軋向中心線對稱取料，取樣尺寸分別為1601603040mm，1201203040mm，80803040mm與50503040mm，并沿圖3鋁合金厚板試樣表面邊緣殘余應(yīng)力演變：a）30mm，軋向；b）30mm，橫向；c）40mm，軋向；d）40mm，橫向Fig.3Surfaceresidualstressesdevelopmentsonth

11、eedgeofaluminumalloythickplate:a)30mmrollingdirectionb)30mmtransversedirectionc)40mmrollingdirectiond)40mmtransversedirection鋁合金厚板淬火冷卻過程時間短，劇烈的物理熱交換造成熱力耦合作用的復(fù)雜性，此時沿厚度方向每一材料層的應(yīng)力狀態(tài)急劇變化：淬火初期呈現(xiàn)“外拉內(nèi)壓”應(yīng)力分布，淬火穩(wěn)定期逐漸向“外壓內(nèi)拉”應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變

12、，并在淬火后期最終形成“外壓內(nèi)拉”應(yīng)力分布的格局[67]。整體應(yīng)力分布在冷卻過程結(jié)束后達(dá)到平衡，但局部區(qū)域應(yīng)力分布尚不均勻，存在應(yīng)力奇點，如圖1所示；圖2則表明，受臨近材料約束，板邊緣應(yīng)力尚來不及完全釋放，而且原始淬火厚板長度與寬度遠(yuǎn)大于厚度，可近似為二維應(yīng)力狀態(tài)，故沿軋向與橫向的應(yīng)力釋放程度相當(dāng)，應(yīng)力釋放程度約為60%。相對于淬火，電火花鋸切過程中接觸范圍小、無切削力、冷卻條件良好且時間足夠長，故切割過程中鋁合金材料的熱效應(yīng)可以忽略[

13、8]。切割后的試樣長寬與厚度數(shù)量級相當(dāng)，理論上呈現(xiàn)出較強(qiáng)的三維應(yīng)力分布狀態(tài)，但限于試驗條件與工程需要，一般仍簡化為二維應(yīng)力。充足的時間成為應(yīng)力完全釋放的必要條件，但由于臨近材料的約束方向不同也導(dǎo)致應(yīng)力釋放程度的不同，且試樣長寬越接近厚度大小，則應(yīng)力釋放越明顯。如圖3所示，與切縫垂直與平行方向的應(yīng)力演變規(guī)律相似，但由于與切縫法向同向的應(yīng)力失去了其主要約束，應(yīng)力釋放程度可達(dá)100%；而與切縫同向的應(yīng)力只失去了其次要的約束，應(yīng)力釋放程度略小，

14、不同大小試樣的應(yīng)力釋放程度約為30%至60%。但淬火與鋸切后厚板表面應(yīng)力的邊緣效應(yīng)影響的范圍相同，即應(yīng)力釋放區(qū)域不受改變初始應(yīng)力分布狀態(tài)的工藝影響。且隨著距離的增加這一應(yīng)力釋放的效應(yīng)逐漸減弱，上述的邊緣部分可視為應(yīng)力分布的不均勻區(qū)域，定義為“特征距離”。試驗結(jié)果則表明，“特征距離”與板厚度大致相當(dāng)（略小一些），超過這一距離之后，試樣表面應(yīng)力幾乎保持為原始分布狀態(tài)，與切割前相比變化很小甚至不變。3結(jié)論鋁合金厚板表面殘余應(yīng)力分布具有明顯的邊

15、緣效應(yīng)。受改變初始應(yīng)力分布狀態(tài)的工藝、板長寬相對于厚度的大小及臨近材料約束方式的影響，淬火與鋸切后邊緣應(yīng)力的釋放程度不同，但應(yīng)力分布的邊緣效應(yīng)影響的區(qū)域，即“特征距離”與板厚度大致相當(dāng)。參考文獻(xiàn)[1]姚偉岸.平面各向異性哈密頓體系及圣維南問題的解析解[J].大連理工大學(xué)學(xué)報199539(5):612615.[2]胡永會吳運(yùn)新陳磊等.X射線法測量淬火鋁合金厚板表面殘余應(yīng)力[J].中國材料進(jìn)展201130(2):5155.[3]郭俊康吳運(yùn)新

16、胡永會.X射線衍射法在鋁合金厚板表面殘余應(yīng)力測量中的應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)201038(4):3134.[4]閆鵬飛.高強(qiáng)鋁合金厚板取樣切割過程殘余應(yīng)力場演變的研究[D].長沙:中南大學(xué)2010.[5]閆鵬飛吳運(yùn)新廖凱.切割對鋁合金厚板殘余應(yīng)力分布影響的仿真與分析[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）201041(6):22132217.[6]廖凱.鋁合金厚板淬火預(yù)拉伸內(nèi)應(yīng)力形成機(jī)理及其測試方法研究[D].長沙:中南大學(xué)2011.Res