一種鋁合金模鍛件殘余應力狀態的研究

樊　蕾，程紹楊

(中核(天津)機械有限公司，天津 300300)

?

一種鋁合金模鍛件殘余應力狀態的研究

樊蕾，程紹楊

(中核(天津)機械有限公司，天津 300300)

研究發現，工件在模鍛件成型和熱處理后，內部殘留有大量的殘余應力，在加工過程中，殘余應力被逐漸釋放，導致工件變形，造成工件不合格。以鋁合金模鍛件為例，采用X射線衍射法配合電解拋光，對模鍛件表面和內部的殘余應力進行檢測，揭示模鍛件表面及內部的殘余應力狀態和分布規律，并采用冷熱循環時效的方法代替原有的熱時效方法處理模鍛件。檢測后發現，冷熱循環時效處理后的模鍛件沿直徑和圓周方向殘余應力值都較小，并且分布更均勻。這為今后優化鋁合金模鍛件熱處理工藝，減小殘余應力奠定了理論基礎。

殘余應力；變形；X射線衍射法；電解拋光；冷熱循環時效處理

在毛坯制造過程中，受外力或不均勻溫度場的作用，材料會產生不均勻的彈塑性變形，從而在毛坯中產生殘余應力。毛坯初始殘余應力與工件加工變形密切相關[1]。

殘余應力無法用感官直接感知，而且殘余應力的狀態，尤其是應力的大小及分布，會隨加工方法的不同而有所差異[2]；因此，深入了解殘余應力的產生原因，快速、無損地檢測出殘余應力，并控制和調整殘余應力的大小和分布，對控制工件加工變形具有非常重要的指導意義。

鋁合金模鍛件的成型工藝主要包括鍛造和熱處理。在模鍛件成型、熱處理后，模鍛件內部殘留有大量的殘余應力，在車削過程中，伴隨工裝夾具、切削刀具、切削路徑和切削參數等多重因素，殘余應力被大量釋放，導致工件變形，造成工件不合格。

本文以一種鋁合金模鍛件為研究對象，與北京翔博科技有限公司合作，利用X射線衍射法輔以電解拋光進行殘余應力檢測，研究模鍛件的殘余應力大小與分布規律。此外，與北京航空材料研究院合作，利用冷熱循環時效處理的方法代替傳統的恒溫熱時效法對模鍛件進行處理，檢測冷熱循環時效處理后模鍛件的殘余應力大小，并與恒溫熱時效進行比對，為下一步優化模鍛件熱處理工藝，減小殘余應力奠定理論基礎。

1　X射線衍射法

X射線衍射法最早是由俄國學者Аксенов于1929年提出的。美國汽車工程師學會和日本材料學會都把X射線衍射法作為測量材料應力的標準使用[3]。我國國家質量監督檢驗檢疫總局也于2008年制定了GB/T7704—2008《無損檢測—X射線應力測試方法》[4]。

1.1X射線衍射法的原理

X射線殘余應力無損檢測技術基于X射線衍射理論。當一束具有一定波長λ的X射線照射到多晶體上時，會在一定的角度(2θ)上接收到反射的X射線衍射峰，這便是X射線衍射現象(見圖1)[5]。

圖1　X射線衍射現象示意圖

X射線的波長λ、衍射晶面間距d和衍射角2θ之間，符合著名的布拉格定律：

2dsinθ=nλ

根據彈性力學方程，可求出某一方向應力σ：

σ=KM

1.2X射線衍射法的優點

采用X射線衍射法的具有如下優點：1)不改變材料狀態，屬于無損測量；2)通過與其他材料剝離、電解拋光方法配合，可實現對殘余應力的逐層測定，適用于精確測定應力沿層深的分布；3)通過多點多向測量，可繪制工件應力分布的完整云圖；4)可以指導并修正CAE的應力仿真值，可以相對準確、全面地掌握工件在各個加工環節的應力狀態，并得到加工變形情況[8]。

2　鋁合金模鍛件殘余應力檢測

2.1檢測方法

采用加拿大PROTO公司的X射線衍射應力儀，選擇Co靶材的Kα射線，隨機抽取1件模鍛件，對其殘余應力進行詳細檢測。為研究模鍛件表面到內部的應力分布規律，采用車削加工方式去除一定厚度，再經電解拋光去除加工硬化層，檢測其內部殘余應力。

2.2檢測點的分布

檢測點沿圓周均勻分布，在1/4區域內進行詳細檢測，另外3/4區域作為補測點。模鍛件內外表面檢測點的位置分布如圖2和圖3所示。以工件外表面俯視圖逆時針方向劃分0°、45°、90°、180°、270°和315°；在徑線位置方向，以徑線上距圓心的半徑大小依次分為1#，2#，…，6#測點。工件各層檢測點總數為16個，各檢測點均檢測3個方向應力。殘余應力檢測方向規定為：0°方向為徑向應力方向；90°方向為環向應力方向。模鍛件各層檢測信息見表1。

圖2　模鍛件內表面檢測點位置分布示意圖

圖3　模鍛件外表面檢測點位置分布示意圖

檢測層層位置加工方式外表面外表面 —外表面第1層距外表面1mm 以外表面為基準車削去除1mm后電解拋光外表面第2層距外表面2mm 以外表面第1層為基準車削去除1mm后電解拋光外表面第3層距外表面3mm 以外表面第2層為基準車削去除1mm后電解拋光外表面第4層距外表面4mm 以外表面第3層為基準車削去除1mm后電解拋光內表面內表面 —

2.3去除加工硬化層

模鍛件表面經車削加工后，會產生加工硬化層，通過用電解拋光方法，對硬化層進行逐層去除。經試驗確定加工硬化層的深度及對應的拋光時間，以便后續表面處理時，直接使用該拋光參數來去除加工硬化層。

試驗選定模鍛件車削去除第1層后，外表面45°，徑線2#點位置，時間間隔為(20～40)s，進行電解拋光。拋光后檢測表面及各不同深度的殘余應力(見表2)，得到不同拋光深度車削硬化層應力分布(見圖4)。對工件等效應力、徑向正應力和環向正應力等應力指標進行研究發現，當拋光深度達到約100μm時，應力趨于穩定，對應拋光時間約為120s。由此可得，后續各去除層在加工完成后均使用120s時長電解拋光。

表2　模鍛件不同拋光深度殘余應力檢測結果　(MPa)

圖4　模鍛件不同拋光深度車削硬化層應力分布示意圖

2.4模鍛件殘余應力檢測

對模鍛件各層應力進行統計(見表3)，分布示意圖如圖5所示。由圖5可以看出，同一圓周上各點應力有較大差異；外表面各層應力從中心到邊緣沿直徑方向主要呈現先升高后降低，然后再升高的變化規律。

表3　模鍛件等效應力統計結果　(MPa)

圖5　模鍛件等效應力分布示意圖

3　殘余應力的消除——冷熱循環時效處理

3.1冷熱循環時效處理

殘余應力的調控與消除方法主要有熱處理法、機械法、爆炸法和超聲波沖擊法等。冷熱循環時效處理(T653)是熱處理的一種方式，其主要目的是消除鋁合金的淬火殘余應力，殘余應力的消除率最高可達到85%。由于鋁合金材料不存在冷脆性，因此，可以嘗試采用冷熱循環時效處理的方法降低毛坯的殘余應力。

為了驗證冷熱循環時效結果，與北京航材院合作進行了探索性試驗，驗證冷熱循環后模鍛件殘余應力水平的均值和極差。采取的主要工藝路線是：淬火后的毛坯先自然冷卻至室溫，再利用液氮深冷至-90 ℃，保溫(30～40)min，然后進時效爐升溫至135 ℃，保溫20min，出爐后自然冷卻至室溫，如此反復進行3次。

3.2殘余應力檢測

冷熱循環模鍛件外表面殘余應力檢測結果見表4。

表4　冷熱循環模鍛件外表面殘余應力檢測結果　(MPa)

T653態與T6態模鍛件殘余應力比對示意圖如圖6所示。由圖6可以看出，T653態(冷熱循環時效)模鍛件殘余應力分布比較均勻，峰值較低；T6態(熱淬火+人工時效)模鍛件殘余應力分布不均勻，峰值較高。

圖6　T653態與T6態模鍛件殘余應力比對示意圖

為了進一步驗證試驗結論，利用冷熱循環時效處理的方法生產了500件鋁合金模鍛件，對其中的450件進行了加工。經過統計，該批次工件的一次交驗合格率為82.2%，最終合格率為97.8%，遠遠高于恒溫熱時效處理的毛坯的加工合格率(一次交驗合格率為60.1%，最終合格率為87.7%)。由此可以證明，采用冷熱循環時效處理可以有效降低并均化毛坯的殘余應力，減小加工過程中由于殘余應力釋放引起的變形，從而提高工件的加工合格率。

4　結語

通過對鋁合金模鍛件進行殘余應力檢測和數據分析，可以得出如下結論：1)毛坯在鍛造和熱處理后，殘余應力分布比較復雜，并且殘余應力峰值較大；2)采用冷熱循環時效處理，可以有效地降低殘余應力峰值，并且使得殘余應力分布更加均勻。

[1] 董兆偉.鋁合金整體結構件銑削加工殘余應力及變形研究[M].北京:科學出版社，2015.

[2] 王海斗，朱麗娜，邢志國.表面殘余應力檢測技術[M].北京:機械工業出版社，2013.

[3] 胡云卿，萬海濤.殘余應力消除方法研究[J].科技廣場，2011(4):188-190.

[4] 張根保，張坤能.殘余應力消除技術[J].制造技術與機床，2015(4):6-11.

[5] 陳會麗，鐘毅，王華昆，等.殘余應力測試方法的研究進展[J].云南冶金，2005，6(3):52-54.

[6] 中國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T7704—2008無損檢測—X射線應力測定方法[S].北京：中國標準出版社，2008.[7] 張定銓，何家文.材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用[M].西安:西安交通大學出版社，1994.

[8] 慶光.殘余應力檢測技術及其應用[J].重型機械科技，2002(4):39-49.

責任編輯馬彤

ResearchoftheResidualStressStateofaKindofAluminumAlloyDieForgings

FANLei，CHENGShaoyang

(ChinaNuclearTianjinMachineCo.,Ltd.,Tianjin300300,China)

Studieshavefoundthatthemainreasonoftheunqualifiedproductionisthatafterdieforgingsformingandheattreatment,roughinternalresidueshavealargeamountofresidualstress.Intheturningprocess,theresidualstressisgraduallyreleasedandtranslatedintodeformation,sothattheworkpieceisunqualified.Takethealuninumalloydieforgingsasanexample,testingthesurfaceandinternalresidualstressofdieforgingsbyX-raydiffractionmethodandelectrolyticpolishinginordertorevealtherulesoftheresidualstressstateanddistributionofsurfaceandinternal.Adoptthemethodofhotandcoldcycletimeinsteadoftheoriginalheatagingmethodprocessingdieforgings.Aftertesting,findthatdieforgingswithhotandcoldagingtreatmentcycleshavesmallerresidualstressalongthedirectionofdiameterandthecircumferenceofacircle,andthedistributionismorehomogeneous.Itlaysatheoreticalfoundationforoptimizingthealuninumalloydieforgingsheattreatmentandreducingtheresidualstress.

residualstress，deformation，X-raydiffractionmethod，electrolyticpolishing，hotandcoldagingtreatmentcycles

2016-03-16

TH14；TH87A

樊蕾(1986-)，女，助理工程師，碩士，主要從事專用設備的加工制造等方面的研究。