振動時效對7075鋁合金薄壁構件應力松弛的影響與分析

廖 凱， 熊冠華， 朱家豪， 陳 輝， 柳建安

(中南林業科技大學 機電工程學院，長沙 410004)

振動時效(Vibration Stress Relief，VSR)工藝目前主要應用于黑色金屬領域，使鑄鐵件和焊接件中應力集中的部位進行應力消減與均化，以達到工程所需的要求[1-2]。大型鋁合金整體結構件存在著內部應力與表面應力分布的巨大差異，有著和黑金屬結構件類似的情形，因此，可借助VSR方法對構件表面特征實施影響，研究其對材料表面的影響，如應力消減、表面硬化、形狀尺寸穩定等。

學者對VSR在黑金屬構件上的應用做了大量的研究，從宏觀方面來看，VSR方法可用于改善金屬性能，特別是改善機械性能和釋放殘余應力方面有著顯著的效果[3-5]。其效果主要集中在材料屈服后的殘余應力降低，例如通過時效來提高波紋管尺寸穩定性，降低殘余應力[6]，以及對焊接件進行高頻振動后的應力消減等[7-8]。Kwofie等[9-13]對鋼焊接件、懸臂梁結構進行振動時效以消減應力，效果理想。Chih等[14]從鋼的微觀結構研究了振動時效對結構的應力消減和晶粒細化，認為偏心振動器具有這方面的優勢，其成果對本文在有色金屬上的微觀實驗研究提供了思路。

從微觀方面看， Wang等[15-17]針對鋁合金織構狀況進行了振動時效下應力消減的有效性分析，提出了“Orientation of banding”應力消減理論，并認為材料在這個方向上應力消減明顯，說明不同的材料組織狀況在不同的振動工藝下，時效的效果會不同。吳運新等對鋁合金厚板進行振動時效處理，研究了振動時效工藝過程，初步得出時效工藝參數對鋁合金厚板的影響[18]。還有一些研究工作比較關注振動后材料微細觀結構變化，例如晶粒取向的改變和旋轉問題[19-20]。學者劉明顯研究了通過超聲波沖擊消除鋁合金焊接應力，并且從位錯理論闡述了位錯運動消除焊接殘余應力的機理[21]。這些都說明VSR對材料表面特性的影響，其中位錯理論是比較普遍接受的一種觀點。綜上，本文擬利用VSR的特點，對有色金屬結構件進行相關時效實驗，分析其對材料表面特性的影響。

1 實 驗

1.1 試樣制備

實驗材料為7075-T651高強鋁合金厚板，銑削加工2塊500 mm×104 mm×60 mm結構件試樣，試樣壁厚2 mm，底厚6 mm，形狀如圖1所示。

圖1 鋁合金薄壁構件

為了對比分析，對其中2#試樣進行噴丸處理，以獲得更大的表面殘余應力，這樣可以與1#銑削試樣進行實驗對比分析。噴丸設備為ST-1960，參照航空零件噴丸強化標準[22]，磨料選用石英砂丸，參數選用粒度直徑0.5 mm，噴射強度0.3 MPa，垂直試樣噴射距離為100 mm，噴口直徑5 mm，100%表面覆蓋。應力測試和TEM取樣如圖1中位置所指。表1為材料的力學屬性。

表1 7075鋁合金力學屬性

1.2 調試與參數設置

VSR時效采用HK2000K1型全自動振動時效儀器。由于試樣比較小，質量輕，且屬于零件類，故選擇在1 800 mm×1 000 mm×80 mm的鑄鐵平臺板振動為宜。利用聚砂法確定板型振動的弱勢區，即將細砂放置在平板上，當激振器開啟后，砂子會聚集到一條直線上，這個直線位置振幅接近零(簡稱零線)。實驗得到相鄰零線位置930 mm，沿平臺長度對稱分布。隨后將4個軟墊置于零線附近位置，軟墊長度相距1 000 mm，寬度500 mm。在調試中，將激振器置于上述相鄰零線的中間、距離零線1/3以及置于平臺橫向的正中間3個位置上，分別逐漸加大激振力以獲得最佳激振位置。最后，實驗確定：零線位置始終不變，可將試樣長度方向上的對稱線對準其中一根零線放置，使試樣沿對稱線兩側正交受力。同時，激振器置于相鄰兩根零線中間位置時激振效果最佳。此時，激振器可調偏心角為40°，平臺激振加速度為54.0 m/s2，在亞共振區振動，激振頻率在114～116 Hz，振幅200～230 μm。圖2為激振器及試樣定位簡圖，試樣由壓板和螺栓裝夾在振動平臺上，保證振動時不會出現松動。

圖2 激振器、平臺及工件裝夾示意圖

由于本次實驗是為了發現VSR對構件的作用效果，而材料表面的應力強度較黑金屬殘余應力要小，故在參考黑金屬時效的基礎上，選取30 min和60 min。VSR時效處理見表2。

表2 實驗參數

1.3 測 試

表面應力采用PROTO的X-ray表面應力測試分析儀獲取，儀器誤差±20 MPa。采用逐層腐蝕地對待測表面進行應力測試，以獲得表面深度上的應力分布。位錯采用TEM電鏡觀察，在如圖1所示指定取樣點進行取樣，顯微硬度在顯微硬度儀進行。

2 結果與分析

2.1 動應力與表面應力

一般認為，材料的殘余應力σr和動應力σd疊加之和大于屈服極限σs，才能使該處應力消減，即：

σr+σd>σs

(1)

對于薄壁件而言，材料內應力很低(±10 MPa以內)，故在交變應力作用下本文只考察材料表面變化情況。其中表面應力可以實驗測得，動應力根據振動實測參數計算：鑄鐵平臺在鋁合金薄壁試樣表面形成的最大動應力σd約為117.8 MPa。考慮其疲勞損傷，以及材料存在的不均勻性和微屈服強度不同于宏觀屈服強度的特點，在實際中更多情況下采用殘余應力σr和動應力σd疊加之和小于疲勞極限σ-1，即：

σr+σd<σ-1

(2)

7075T651材料疲勞極限約為230 MPa，而試樣表面殘余應力值為壓應力，故可滿足式(2)的要求。薄壁構件的動應力在疲勞極限要求下進行，不會對構件的疲勞損傷。薄壁試樣由厚板銑削加工而成，其應力場分為內應力和表面應力，內應力分布約-5～8 MPa。相反，表面應力卻很高，往往由于采用的工藝不同而出現上百兆帕。VSR前，對2個試樣進行逐層腐蝕后XRD表面應力測試，獲得表面應力分布情況，此處以沿試樣長度方向分布為準，如圖3(a)所示。材料表面都呈現壓應力分布，噴丸強化作用下的試樣2表面應力最大約-240 MPa，銑削加工的試樣1表面最大約-80 MPa。

(a) XRD實測

(b) 包辛格效應

VSR過程就是材料表面殘余應力與時效動應力疊加交變作用的過程。以試樣2表面的σr=-240 MPa的應力取樣點為例，表面交變應力σr±d=σr±σd，其范圍盡管沒有達到材料宏觀屈服極限，但在動應力交變20萬～40萬次后，材料表面組織內就存在發生微觀屈服的可能。如圖3(b)所示為表面點在交變力作用下的包辛格效應演示，包辛格效應認為，在多晶體間的殘余應力可以促使微觀組織發生屈服。由于金屬組織的不均勻性和缺陷程度在材料表面體現最明顯，因此表面組織存在微觀屈服強度低于宏觀屈服強度的現象，這就可以解釋在交變應力作用下，表面材料屈服點下降，以形成局部的鏈鎖式屈服，發生表面應力釋放。

如圖4所示，證明了該區域應力松弛的存在，在時效30 min內，均有應力松弛，#1試樣的應力峰值約從-82 MPa下降到-70 MPa，#2試樣的峰值約從-240 MPa下降到-185 MPa，在時效60 min后，2個試樣的峰值降幅速度減弱。圖中右坐標為松弛率，60 min時效時間完成后，#1試樣的最大表面松弛率22%，而#2號試樣表面松弛率則達到32%。松弛率隨表面深度的增加而減小，說明VSR對材料內部的影響效果在減弱。

(a) #1試樣

(b) #2試樣

由圖4可知，VSR消減應力的程度并不完全取決于時間，更重要的是與初始應力和動應力的大小有關，圖4中靠近表面處應力松弛越明顯也說明了這一點。就實驗結果來看：在最大動應力117.8 MPa條件下，時效30 min后，已經取得了較為理想的效果，首先，VSR方法能夠降低材料表面殘余應力峰值。第二，離表面越遠應力變化越小，在80 μm深度以后幾乎沒有變化，間接說明是表面微觀屈服或微變形造成了應力松弛。最后，壓應力對提高材料疲勞強度有益，因此并不需要大量消減壓應力，這與焊接件的焊縫應力需要大量削減性質不同。

2.2 XRD數據分析

應力松弛可以根據晶粒大小變化和微觀應變的狀況來分析，通過XRD數據分析，可以看到應力松弛的微觀變化情況。運用Voigt方法可得到沿深度方向分布的柯西寬度和高斯寬度，并計算出相區大小和微觀應變。以2#試樣為例，數據分析后如圖5所示，各曲線分別代表了構件：未加工表面—銑削—噴丸——VSR后的相區情況。圖5(a)為晶粒大小沿層深的分布，圖5(b)為層深上微觀應變分布。

(a) 晶粒大小

(b) 微應變分布

經過VSR后，其相區改變狀況正如前述分析的那樣，30 min時效后，材料表面特性發生改變，表面晶粒被進一步細化，晶粒間形變增加。而隨著時間的延長，在60 min后，相域狀況的變化不明顯，這就說明，在這一實驗條件下，30 min時效時間對構件表面特性作用效果較好。

2.3 位錯與硬化分析

VSR改變的不僅僅是材料的表面應力，在包辛格效應下，材料被加載-卸載-反向加載，使得表面組織內存在微觀變形而應力松弛。這種微觀變形的形式和原因主要有晶粒的滑移、晶界處位錯塞積與開通。一般地，微觀屈服強度與宏觀屈服強度不同，前者往往由于晶粒缺陷和組織不均勻緣故而比后者要小。

微觀變形如晶粒滑移變形帶來位錯的變化。對#1試樣材料表面取樣后進行TEM位錯觀察，如圖7所示，位錯密度在時效后逐步增大，在晶界處聚集。無論是銑削加工或是噴丸處理，材料表面都經歷了塑性變形，在VSR作用下，原先在晶界處受阻的位錯逐步增加，即位錯增殖現象，造成在位錯這類缺陷區域形成一定的應力集中。當交變應力能量聚集到一定程度時，總是能在一定取向上使位錯開通，應力得到松弛，正如圖4和圖5所示。但在其它取向上，位錯依然處于塞積，晶粒滑移加劇，形成滑移帶，最終使晶粒碎裂而細化，形成更多位錯，這就出現了材料中位錯塞積和開通交互共存的現象。

圖6(a)與(b)、(c)比較中可見，經過VSR時效后位錯密度明顯增大，而時效過長，例如60 min與30 min后比較，并無較大提高，延長時間對位錯密度的增長并無幫助。這說明當晶界位錯抗變形能力足以抵抗振動交變應力時，振動時間對時效效果的改善不明顯。

如上所述，位錯密度在晶界上塞積，客觀上導致了此處變形抗力的增強，一定程度上也起到了硬化材料表面的效果。如圖7所示，取#2試樣表層20 μm和80 μm處4ⅹ4 cm區域，進行顯微硬度測試后得到的二維云圖。

圖7(a)表示20 μm深度處中心區域硬度約為187 HV，時效后中心區域硬度提高到約為202 HV和205 HV。圖7(b)表示80 μm深度處中心區域硬度約為181 HV， 時效后中心區域硬度提高到約為196 HV和200 HV。結果說明VSR將材料表面硬度提高了10%左右。

3 結 論

(1) 對常規工藝下取得的2個鋁合金薄壁件試樣進行VSR實驗，結果表明，在動應力117.8 MPa作用下，可使材料表面應力松弛，其表面應力峰值消減了22%～32%，而時效時間以30 min為宜。

(2) VSR改變了材料表面特性，使加工后表面材料晶粒進一步得到細化，同時提高了約10%的表面硬度。材料表面硬化效果加強，在一定程度上又起到了防止表面應力進一步松弛且穩定構件形狀的作用。

(3) 從促使應力松弛到阻止應力松弛，這是表面微觀屈服條件下發生的晶粒形變-顯微冷作硬化的結果，客觀上既消減了部分殘余應力，同時又保證了材料具有一定強度的表面壓應力。可見，VSR工藝對改善構件表面特性有積極作用。

(a) 沒有VSR

(b) VSR 30 min

(c) VSR 60 min

(a) 20 μm

(b) 80 μm