振動時效對鋁板表面應力松弛均勻性的實驗設計與分析

廖 凱，朱家豪，余 田，陳 輝，鐘利萍，龔 海

(1. 中南林業科技大學 機電工程學院，長沙 410004； 2. 中南大學 機電工程學院，長沙 410083)

70751高強鋁合金薄壁框架件作為航空器廣泛應用的結構件，加工變形控制備受關注，而其中殘余應力分布與控制問題[1-3]，是保證試件合格制備急需解決的難題之一。這類構件結構特點表現為壁較薄，易變性，應力場復雜包含有毛坯初始內應力和加工形成的表面殘余應力[4-5]。殘余應力的存在有其兩面性：①過大的殘余應力危害了結構尺寸精度，造成結構件形狀不穩定[6]；②壓應力可以有效提高材料疲勞強度，延長其服役壽命。對于薄壁件，降低和調整表面應力是滿足構件制備合格、使用可靠要求的關鍵環節[7-8]。應力獲取手段可以通過無損和有損兩類實驗方法，例如X-ray衍射方法(X-ray Diffraction，XRD)、深孔法(Deep-Hole Drilling Method，DHM)和層削法(Layer Removal Method，LRM)等，以及有限元仿真技術獲得，這些工作在文獻中已經被廣泛提及[9-11]。

振動時效(Vibration Stress Relief, VSR)是通過交變力作用方式，使結構或平臺產生共振，達到構件上殘余應力區域滿足激振動應力加載條件下的宏觀屈服，以實現殘余應力降低[12]。張清東等[13-14]結合預應力方式對高強度鋼板采用多點激振模式，用來釋放表面殘余應力，認為VSR可以消減和均化應力，但是對結構的變形調整效果有限；顧邦平等[15]設計一種高頻振動能量放大裝置，以高頻小幅、大動能方式解決小件殘余應力消減的需要。劉曉丹等[16]采用VSR解決膨脹波紋管表面殘余應力的降低問題，效果較好。這些研究說明從宏觀上看，激振動應力與殘余應力的疊加達到宏觀屈服后，確實能夠在結構件上產生預期效果。另一方面，Wang等[17-18]通過EBSD(Electron Backscattered Diffraction)分析發現時效下，材料表面晶粒會在等幅循環應變下發生晶粒轉動，這種轉動實際上就是材料變形的微觀模式，是應力下降的主要原因。實際上很多觀點認為VSR是可以通過微屈服方式降低殘余應力，例如發現材料位錯密度增大，局部硬化等現象，這些都說明即使沒有宏觀屈服，材料在VSR下仍然存在屈服情況。當然，振動時效參數的選取非常重要，頻率、時間和激振力都需要在時效時被考慮。一直以來，研究者認為應力降低的程度不僅與頻率有關，而且與振幅相關，例如Dawson等[19]。然而，振動模式和材料晶體結構也應該被考慮，這對VSR時效效果同樣重要[20-21]。

目前振動時效大多針對焊接件，主要原因是焊接件有明顯應力集中區域，非常適合施加交變應力場，例如通過大型焊接件的懸臂激振，零件的平臺激振以及板件上采用的集中力激振模式，這些都能很好地解決構件集中應力降低的技術問題。本文研究鋁合金板表面加工應力消減技術，采用目前工程上應用于輕質零件應力消減的平臺式激振，時效研究材料加工表面應力的降低和均化的可行性。

1 實驗設計

1.1 材料與試樣

實驗材料為7075T651高強鋁合金厚板，銑削后得到試樣尺寸為500×200×5(mm)薄板，數量為兩塊。銑削加工后，試樣表面均進行噴丸處理，以獲得表面應力分布均勻效果。目的是為了檢驗后期振動時效下，表面應力變化的參照對比和作用重復性檢驗需要。噴丸參數見表1，材料力學性能見表2。

表1 噴丸參數Tab.1 Parameters of SP

表2 7075鋁合金力學特性Tab.2 Mechanical properties of materials

1.2 振動方式

試樣截取自鋁合金薄壁框架零件薄壁加工表面部分，而后期研究成果將用于薄壁構件的時效處理，因此，試樣采用和零件一樣的振動方式—平臺式激振。其中振動用鑄鐵平臺1 800×1 000×80(mm)，重約1 000 kg，對稱4支點硬橡膠支撐，支撐處對稱布局為長1 000×寬500(mm)。試樣固定在平臺上，將平臺和試樣視為整體，借助鑄鐵平臺本身強大的激振動能，在低頻低幅條件下使試樣也獲得足夠激振能。安裝方式如圖1所示，試樣被壓塊可靠地固定在平板上。定義振動臺振幅最小處為節線，工程上以此為試樣時效激振的夾固點，形成應力交變，因此，可將試樣沿長度方向對稱擺放于節線處，并夾緊。根據根據JB/T 5926—2005振動時效工藝標準[22]和前期實驗結果，選擇激振時間為30 min。

圖1 激振器、平臺及工件裝夾示意圖Fig.1 Sketch of vibration equipmemt, plate and fixture

激振設備選用HK2000K1型全自動振動時效儀，可完成自動掃頻，在亞共振區進行時效，偏心轉子式激振器置于平臺中部。試樣安裝位置選取在平板零振幅位置，沿長度方向對稱固定。對平板進行ANASYS模態分析，平臺處于無約束自由振動狀態，計算結果顯示，前4階固有頻率為零，在第5階模態下，固有頻率為105 Hz，其相鄰零振幅位置相距960 mm，如圖2所示，仿真結果中零振幅位置與實驗中現場拋灑細砂觀察平臺砂礫聚集情況基本對應，如圖3所示，現場測試中相鄰砂線相距940 mm，亞共振頻率113.8 Hz。

圖2 振動臺第5階模態Fig.2 5th order mode of plate

圖3 實驗調試Fig.3 Experiment and adjustment

1.3 應力測試

為了觀察表面應力在時效后沿長度方向可能存在的不均勻分布，在兩個試樣上分別確定12個應力測試點，比較VSR前后應力分布。試樣噴丸后為保護表面不受壓塊損壞，用薄絨布包裹一層再夾固在振動平臺上，應力測試前用酒精清洗試樣表面。測試點橫向間隔40 mm±5 mm，縱向間隔50 mm±5 mm。由于在砂線左右兩側振動效果一樣，因此，測試點分布在試樣一側即可，如圖4所示。

圖4 試樣測試點布置Fig.4 Layout of test position on sample

表面應力使用PROTO X-ray衍射應力測試儀，儀器精度±20 MPa，測量值誤差顯示±10 MPa以內。測量方法：采用同傾法測量，輻射線Crkα，X 射線管電壓40 kV，管電流30 mA，衍射晶面為(211)，采用高斯函數法定峰，準直管尺寸2 mm。X射線彈性常數1/2S2(18.56 ×10-6)，ψ取14個角度。

2 結果與分析

根據激振儀自動掃頻結果顯示，振前激振加速度為112.9 m/s2，偏心轉子轉速6 856 r/min，振后亞共振區域激振加速度為133.2 m/s2，頻率114.3 Hz，偏心轉子轉速6 833 r/min。振后峰值升高20.3 m/s2，峰值左移23 r/min，頻率減小0.5 Hz，說明對平臺振動時效在有效進行，并使得參數發生改變。如圖5為平臺VSR前后掃頻-加速度分布曲線。

2.1 表面應力不均勻釋放

振型分布表明在亞共振區平臺呈現彎曲變形狀態，將試樣固定于節線，則離節線不同位置上受到的彎曲應力也就不同，疊加上激振力，則可見在整個試樣表面可能會出現動應力分布不均勻現象。噴丸試樣100%表面覆蓋后后，表面應力分布均勻性較好，可將測得12個數據進行適當對稱化處理，以云圖描述，如圖6(a)所示。以節線位置為參照，兩個試樣時效后應力分布規律相似，隨著距離節線的遠近而單調變化。以試樣1為例，應力松弛釋放程度在節線最遠處最大為18.7%，從-294 MPa減少到-239 MPa，而靠近節線則應力釋放逐漸減弱為4.1%，從-294 MPa減少到-280 MPa，表面應力不均勻波動達到14.6%，如圖6(b)所示。試樣2有類似效果，以上現象符合時效中能量諧波分布特點。

圖5 時效掃頻結果Fig.5 Scanning frequency result of VSR

圖6 節線A處時效Fig.6 VSR in A position

如前所述，試樣加工表面應力分布不同于焊接件集中應力分布特點，因此這種時效后應力不均勻性特征對于前者更為顯著。實驗發現兩個現象：①表面應力在VSR下可以被釋放，但釋放的程度有差異；②應力釋放與時效位置有關。為此，可根據振動平臺振型分布和表面應力釋放的規律，將試樣上動應力表現強弱的位置進行對調，即將試樣對準節線的位置進行交叉調整，以平衡試樣上能量分布。因此，將試樣應力釋放最強處B置于節線，使之前最弱處A能得到較強的激振效果，以符合調整目的。

2.2 應力均勻釋放效果

由于在A位置時效出現了不均勻應力釋放現象，因此通過交叉時效位置B振動時效作用后(參數與第一次相同)再次觀察應力分布情況，如圖7(a)所示。仍以試樣1為例，之前位于節線A處的表面應力被削弱，從-294 MPa降低到-254 MPa，而節線B處應力為-235 MPa，基本與交叉時效前一致，可見，位置交叉后使表面A處縮小了與B處應力水平，沿長度方向應力釋放率整體波動較之前得到改善，如圖7(b)所示，應力釋放率曲線趨于平緩。仍以試樣1為例，應力釋放率變化范圍20%～14%，不均勻波動下降到6%，不均勻釋放明顯受到控制，試樣2反映的事實與之相似。說明采用交叉時效方法能在平臺式時效中發揮能量均化作用，對這類結構性表面應力能達到預期消減和均化效果。

圖7 節線B處時效Fig.7 VSR in B position

3 討 論

3.1 應力釋放的原因

振動時效消減殘余應力的基本理論是動應力與殘余應力疊加之和大于材料屈服極限。但是在試樣實驗中，應力釋放的根本原因不完全是這樣，主要體現在：①試樣表面應力存在形式以壓應力為主，即使疊加動應力也不能達到材料屈服極限，而應力釋放的事實說明在材料表面存在著屈服，這種屈服現象主要是材料內部位錯在激振能作用下不斷增殖、運動、擴展的結果，當位錯在晶界堆積到一定程度后，材料變形的同時也在被強化(硬化)，因此會發現表面應力水平降低，但材料硬度卻提高，這在研究中已經證實；②微觀屈服的存在，在材料表面，微觀屈服強度小于宏觀屈服強度，尤其是噴丸后表面粗糙度增大(與銑削表面比)，如圖8為材料表面用微距鏡頭和SEM電鏡獲得的宏、微觀形貌，局部鋼丸噴射后彈坑周圍造成的表面不規整很容易形成應力集中區域和屈服強度弱化區，客觀上在交變應力作用下，于等幅交變應變后形成:屈服強度下降—屈服—應力降低—強化的過程；③實驗中，最大動應力約為100 MPa，疊加試樣上的殘余壓應力后仍小于材料疲勞極限230 MPa，說明平臺式VSR沒有以犧牲材料疲勞強度為代價降低應力水平，這是VSR在這類零件上應用的優勢。

圖8 試樣表面宏、微觀形貌Fig.8 Macro and micro morphology of surface

綜上，實驗研究認為，薄板件上應力釋放的主要原因是交變能作用在材料表面，造成材料局部微觀屈服，從而導致表面應力松弛降低。

3.2 應力均化的實現

振動是實現應力均化處理的工程選擇之一，但對不同結構時效上，不同振動方式會影響應力均勻化效果。本例中平臺式振型特點決定了能量分布具有不均勻特性，即在不同位置上作用在構件上的動應力會不同。因此針對構件應力分布特點，提出交叉時效激振策略以解決應力釋放不均勻問題，應用原理是強弱交叉，均衡處理，平均能量。從均化效果來看，如圖9所示，兩個試樣在交叉時效后，沿長度方向上表面應力釋放梯度變化接近0.1 MPa/mm，比交叉時效前0.7 MPa/mm的應力梯度變化效果要好，說明這種解決方法具有可行性，同時，在工程上能夠方便實現。例如對較長板件，可將板件橫跨相鄰節線進行裝夾VSR效果為最佳，首先，這樣處理可以降低構件中部表面應力。然后，實施交叉時效，將構件中部置于節線再進行激振，以均化構件兩端應力分布，從而實現構件表面應力整體均勻化處理。

當然，應力完全均化很難實現，因為時效后材料表面會出現硬化現象，在一定激振工藝下，即使延長時效時間也不一定松弛應力，因此位置交叉時效能對表面應力釋放均勻效果進行優化。

圖9 節線法向距離上表面應力釋放梯度Fig.9 Stress relaxation gradient along normal direction of zero amplitude line on plate

4 結 論

通過對鋁合金薄板件振動時效，進行表面應力消減和均化效果實驗分析，可以得出以下結論：

(1) 平臺板振動時效下，試件表面應力松弛釋放不均勻性不僅取決于本身應力分布的結構性特點，也與時效平臺振型特征有關。

(2) 位置交叉時效基本達到應力釋放均化效果，應力松弛不均勻波動由原來的14%，下降到調整后的6%，且沿節線長度方向上應力梯度波動0.1 MPa/mm。然而，要達到理想均化狀態目前還很難，原因是時效工藝參數調整與材料時效過程中存在的強化差異程度目前還無法做到一一對應，需要進一步研究。

(3) 位置交叉時效方法不僅僅可以應用在薄板上，同樣也適用于薄壁框架類零件表面加工應力的均化處理，這對輕型復雜零件在平臺振動臺上進行時效處理具有積極作用。