淬火中殘余應力的預測和機加工對殘余應力的減少

1、 Journa lof Materials Processing Technology 1 74 (2006) 342354 淬火中殘余應力的預測和 冷加工對殘余應力的減少摘 要 鋁合金淬火后，開發(fā)殘余應力會導致后續(xù)機加工中失真。結果會是，機加工零件可能會失去忍受性和不得不冷加工或是重新加工。殘余應力的測量實驗是漫長的、乏味的、和非常昂貴的，例如中子X射線衍射技術的最新發(fā)展。所以，在這項研究中，Al7050鍛造塊淬火以后，使用數(shù)量方法區(qū)預測殘余應力，而且比較預測結果和實驗結果。結果表明了預測值與實驗結果有很好的一致性，最壞的情況下，偏差也只有10-15%。兩種不同的冷加工（壓縮和拉伸）方法常常

2、被用來減少殘余應力。結果比較好顯示了，壓縮和拉伸工藝減少的殘余應力有90%之多?？墒菃螕魤嚎s鋁合金方法減少殘余應力比其別低水平的方法更加有效和經(jīng)濟。也研究了彈性模的影響效果。模具偏轉被發(fā)現(xiàn)對減少殘余應力的量從90%降到70%左右。 1. 簡介當外部力釋放時，殘余應力是存在于零件內部的應力系統(tǒng)。它的影響因素很多，如熱處理【15】、變形過程、【67】、機加工【8】、焊接/加入【9】或者上面方面的組合，這樣就改變著材料的形狀和改善著材料的特性。當零件部件發(fā)生不均勻的塑性變形或暴露在如鑄造、溫暖成型、焊接和淬火過程中的不均勻溫度下，會產(chǎn)生殘余應力。一般來說，殘余應力信號同有塑性應變產(chǎn)生的殘余應力信號是

3、相反的。如冷軋薄板，在其表面形成了由冷軋在縱向方向拉長的高壓應力的殘余應力。去除外力后，留下了表面的壓應力和薄板中心區(qū)的拉應力。重要性和相關性的測量，殘余應力的預測和控制是基于它們對機加工產(chǎn)品的影響研究的。通過極快的減少疲勞強度，殘余應力可能導致過早的實效，導致應力腐蝕或氫裂，并導致失真和微變形。另一方面，壓縮殘余應力可能提高組件的疲勞壽命、應力腐蝕、抗氫裂性【1013】。所以研究調查和理解殘余應力測量，它的預測和較少對于提高許多機加工零件的質量和可靠性是非常重要的。殘余應力不能被直接測量【9、11、14】。通過殘余宏觀和微觀應力導致的塑性應變的測量。實踐中使用的一些測量方法是：（a）超聲波方

4、法。她是基于這樣一個事實，當晶體材料放在壓力下，超聲波速度改變了。使用合適的儀器和技術，可以測量其速度的改變。（b）使用的機械方法比其別方法使用的時間更長。有不同的方法可以達到效果，它們大多數(shù)是由去除應力材料和測量應力量的變化組成。在實際應用中最流行的技術是鉆孔方法【14、15】。其別的機械方法是一出表面曾層方法和偏轉方法【2、14】。（c）X射線衍射方法：當金屬或陶瓷多晶材料放在壓力之下，在每個材料單粒中都有塑性應變產(chǎn)生。應力外涂或殘留在材料中，只要它是在流動應力之下，他就會被內部原子應變占去。X射線衍射技術能測量處內部原子間距，也就是樣本宏觀應變特性【11、14、16】。既然中子比X射線更

5、加有滲透性，它們也能被使用【7、14、16、17】。殘余應力的消除能通過壓縮和伸展的機械方法達到，也能如回火的熱處理方法達到【3、1821】。，也有非傳統(tǒng)方法如脈沖磁處理【22】?；谏a(chǎn)和實驗結果，伸展是所知的最有效的消除殘余應力的方法?？墒?，對于非矩形和非對稱零件，拉伸是不實際的，因為處理問題和非對稱載荷的原因，壓縮工藝經(jīng)常是首選的。應用的設備，可能性德多少和成本因素決定著消除殘余應力方法的選擇。壓縮僅適用于簡單形狀和平行面零件的使用。此外，工件的厚度不得不小于最大允許熱處理界面的厚度。既然殘余應力的實驗測量是非常冗長、乏味和昂貴的，所以分析或數(shù)值方法對殘余應力的預測被廣泛研究。由于有限元

6、分析方法FEA的多功能性、準確性和高效率性，它被發(fā)現(xiàn)是可行的和低成本的，代替了其別的試驗方法【7、13、24、25】。這篇文章的第一部分，有限元比利用中子衍射實驗測量方法在淬火鋁塊中對殘余應力的預測更有合理精確性。第二部分，使用有限元方法消除車間中殘余應力消除中的成本和冗長，分析和改善應力消除工藝是相當復雜的。最后，提出了壓縮中消除殘余應力上模具或工具彈性的影響。2. 淬火有限元分析淬火是一種熱處理方法，一個熱金屬零件放在水、油或其他液體，或他們的組合中，被迅速地冷卻【35、26】。使用有限元時鋁件淬火工業(yè)的分析已經(jīng)被很早的研究【7、13、24、27】。預測結果表明它同由表面移除方法測得的的殘

7、余應力的實驗數(shù)據(jù)有很好的吻合。淬火條件在殘余應力上有主要的影響。例如在冷水上得發(fā)生的鋁淬火對殘余應力的影響比熱水上發(fā)生的鋁淬火要高50%【24、26、28】。2.1. 淬火工藝條件在這項研究中，對于淬火和隨后的拉伸和壓縮工藝過程，進行了有限元分析。對于淬火工藝，波音公司及其供應商提供的報告文件中的實驗給出了有限元條件。本文作者不涉及實驗和測量，但是提供了報告中一些不能公開的部分。淬火過程中，統(tǒng)一鋁塊7050合金溫度的侵泡在水中，直到鋁塊溫度冷卻至的統(tǒng)一溫度。所以，溫度位移分析要求：（a）確定淬火溫度隨溫度變化的函數(shù)（傳熱分析）。（b）由于溫度的變化，估算殘余應力（應力分析）。在這項研究中使用兩

8、種不同的鋁塊7050(圖1)。第一種情況下 7050鋁塊（A塊）通過由贊助公司采用的種種衍射方法進行的實驗測試比較，來驗證有限元方法。第二種情況下，分析在鋁塊（C塊）上得殘余應力的形成和消除，這種類型的塊通常用于鍛造和加工制造飛機結構的原料。7050是使用在航空工業(yè)上典型的回火鋁合金。在我們的分析中，因為材料和物理數(shù)據(jù)對于鋁7050回火鋁合金塊是不適用的，所以用鋁7075來代替。這是一個合理的近似，因為兩種合金有相似的成分組成【30、31】。表1顯示了淬火工藝條件，表25描述了研究中所使用的材料特性。理想彈塑性淬火工藝的有限元分析使用ABAQUS標準表現(xiàn)。假設在開始的時候，塊中物應力，然后塊被

9、加熱到，這是7050鋁合金再結晶溫度以上的溫度【31】。由于幾何形狀和邊界條件是完全對稱的，所以使用1/8的塊簡化有限元模型是可能的，目的是為了減少CPU模擬時間。用于本研究的塊A和C有限元模型顯示在圖1中。這些數(shù)據(jù)也顯示了飛機上殘余應力在X-Y和Z方向上得到測量和報告。2.2 A塊的淬火有限元分析結果使用X射線衍射方法測得的實驗數(shù)據(jù)，僅僅適用于塊A。所以，通過比較預測的有限元分析結果和實驗結果，進行的淬火分析，區(qū)證實溫度位移有限元的準確性和有效性。從實驗測量結果中得到的應力分布不是完全對稱的。可能的原因是：（a）塊加熱前，沒有完全的應力釋放。（b）測量過程中可能出現(xiàn)偏差。（c）緩慢侵泡的淬火

10、過程，可能產(chǎn)生不均勻和非對稱?？傮w而言，所有2號曲線的分析和實驗結果相符，近似偏差14%。實驗和2號分析結果之間最大的不同是在范圍。淬火從道的室溫后冷空氣的額外有限元分析不會影響結果超過。所以，在下面的分析中就可以忽略這一因素。圖2和6、3表明，淬火以后沿著中間平面X和Y位點分析1和2的XYZ矢量方向上得殘余應力。所有這三個情況下，在中心區(qū)分布這拉伸對稱殘余應力和在表面層上油壓縮殘余應力。沿著X位點的X食量的應力值比其他矢量要低。同實驗結果相比的2號分析結果除了Z矢量應力外都非常吻合。這的實驗結果比有限元分析結果大約要高出?？傊械那€、1號曲線的分析、2號曲線的分析和實驗結果是很好吻合的

11、。圖4表明了A塊XYZ矢量殘余應力的分布，在中間平面分析2號曲線以后。2.3 C塊淬火有限元分析結果使用V塊進行相似的淬火分析（分析3號）。它同分析2號一樣的邊界條件和仿真步驟。C塊的幾何形狀也是中間平面使用的有限元模型如圖1b所示。圖5顯示了中間平面XY位點預測XYZ矢量的殘余應力。圖6顯示了中間平面1/4模型中XYZ應力組成的分布。從這些數(shù)字觀察可知，最大拉應力X和Z殘余應力是在中心平面，壓應力是在表面。既然C塊的橫截面不是正方形而是矩形，y位點殘余應力比xz位點的要低。在邊緣，y位點的殘余應力是壓應力，而距邊緣33mm處則變成拉應力。一個區(qū)域到邊緣的距離同道頂部和底部層的距離相同的區(qū)域（

12、1/2倍厚度的距離=2.5=0.15分數(shù)），y應力達到最大值，即邊緣效應。對于C塊的中間區(qū)域，y分量開始下降之零，邊緣效應失去它的影響。在這種情況下，在發(fā)展中的殘余應力對幾何形狀的主要影響被非常清晰地表現(xiàn)出來。由于該板塊的z方向尺寸最大，所以z方向的殘余應力總是達到最大值（即較大尺寸，較高的溫度梯度，反過來，較高的殘余應力）。容易解釋沿著y位點的應力分布。在板塊中心區(qū)域，z尺寸達到最大的拉伸值。X尺寸是相似的但有較低的應力值。以前已經(jīng)討論板塊中心區(qū)域y尺寸最低的應力值。既然從y位點的邊緣假設y分量達到零，則沿著整個的y長度上都是零。3. C塊壓縮工藝消除殘余應力進行不變平模和不同墩鍛率的壓縮是

13、由于淬火導致的減小殘余應力。C塊形狀尺寸和有限元模型如圖1b所示。使用平均速度為20mm/s的液壓機在全部的分析中。相同壓縮比的較高速度（如v=200mm/s）不影響結果。壓縮發(fā)生在室溫下。壓縮預定比鋼坯以后，移除模具，允許產(chǎn)生殘余應力。為了比較壓縮結果，在淬火結果使用相同位點和板塊（即板塊中間位置的位點，如圖68所示）。表5列出了有限元分析和壓縮工藝條件。在所有這些計算中，假設模具是平坦、不彎曲的。對于最初的調查，假設看起來是合理的。在接下來的部分，考慮與分析模具塑性變形。這部分的摩擦系數(shù)下顯示了1%、2%和4%墩鍛率的結果，為了重現(xiàn)干壓條件【32】。表6總結干燥條件下壓縮的結果，而表7顯示

14、了潤滑壓縮的情況結果。表7中，x矢量殘余應力分布在1%墩鍛率（干燥條件）下的中間板，如例子中所示。對于所有的應力矢量分布，1%壓縮（5號分析）導致最低和均勻的應力分布（的范圍），而另外壓縮率（6號和7號分析）導致較高或不均勻的干燥條件下的應力分布。1%壓縮以后，有82%的應力較少，較少的值達到的應力范圍中（即淬火、拉伸、壓縮后使用最大殘余應力值估算較少的百分率）。壓縮后的高的應力值經(jīng)常在板塊的邊緣，隨著淬火后底程度應力有相似的趨勢。至于在期間發(fā)生的形狀變化：（a）淬火（b）1%壓縮（c）4%在C塊上得壓縮，1%壓縮率不僅僅導致較高和較均勻應力減小，而且有均勻的形狀（即更小失真），當4%壓縮率情

15、況下相比較。進行的對【810】分析顯示了1%、2%和4%墩鍛率（摩擦系數(shù)【33】下，潤滑壓縮條件如表7總結的，1%壓縮以后（即分析8號），達到底的殘余應力減少85%左右，達到范圍。另一發(fā)面，同干燥條件相反，2%和4%壓縮率導致的結果甚至是較高的減少值有93%的殘余應力減少到的范圍，有一個均勻的應力分布和較小的形狀變形。因此。潤滑天劍顯然由于干燥條件對減小殘余應力更有效，應該首先選擇。4.拉伸工藝對C塊的殘余應力的消除 拉伸是最有名的消除殘余應力的機械方法【21】。為了達到它，需要一個特殊的取抓機械工具。使用鋁7075，拉伸中1.4%塑性變形以后發(fā)生有最高達的殘余應力90%【20】。使用ABAQ

16、US 標準表現(xiàn)了三種不同拉伸率（1%、2%和3%）的4號有限元分析結果。初始條件。淬火后，對11、12和13的殘余應力分析（表8）。由于淬火導致不同拉伸率表現(xiàn)在z方向區(qū)減少殘余應力。拉伸板塊至預期拉伸率，移除外力，允許塊能塑性恢復。為了比較淬火拉伸結果和壓縮工藝結果采用相同的位點和板塊數(shù)據(jù)。假設拉伸工藝是理想條件在板邊不固定板的邊緣，移除塊的一個板。也就是說在一個方向上使用均勻的拉伸應力。既然沒有合適的這種工藝的特殊數(shù)據(jù)，所以不用分析特殊的夾緊過程。表9中總結了1%、2%、3%拉伸率的結果。在圖8中，描述了2%拉伸率下x矢量的殘余應力分布。拉伸以后殘余應力的值是非常低，不同的拉伸率下可看到不同

17、的殘余應力分布尺寸。1%拉伸率后（分析11號），達到98%的應力減少在范圍。2%拉伸率后(分析12號)這個減少量能增加到范圍的99%，隨著拉伸率的增加，不均勻的彈性變形也再增加，3%和更高拉伸率將導致較小的殘余應力減小。比2%拉伸率有較高的應力分布。沿著x位點的y矢量殘余應力，同x矢量值是相似的，2%拉伸率得到了最低和最均勻的應力分布。1%拉伸率有98%的應力減少，即z矢量應力預示的范圍。2%拉伸率后，z矢量殘余應力減少到一個完全的范圍，即減少99%。再次較高拉伸比率，不均勻塑性變形增加，即2%拉伸率更高的應力分布?？紤]沿y位點預測的殘余應力，2%拉伸率較少殘余應力因為淬火99100%。與以前

18、一樣1%拉伸率不能和2%拉伸率減少殘余應力一樣，3%拉伸率增加的殘余應力比2%拉伸率最壞，因為不均勻的塑性變形。關于期間發(fā)生的形狀變化（a）淬火（b）2%拉伸率（c）C塊上3%拉伸率，z方向上得2%拉伸率導致在x和y方向上均勻統(tǒng)一。除此之外，3%拉伸率在這兩個方向上導致不均勻統(tǒng)一，因為不均勻的塑性變形。必須又一次提及，拉伸工藝不包括邊緣處的任何處理和固定操作。這些操作可能在這些區(qū)域導致不同(或高的)應力。5.比較拉伸和壓縮對消除殘余應力上得作用如表10總結，顯示的所有數(shù)字表明干燥條件下1%壓縮率減小的殘余應力在40%和80%之間。潤滑后，壓縮工藝能得到很好的改進。潤滑條件下，2%壓縮率，減少的

19、殘余應力在范圍比90%好要多，也幾乎均勻應力分布?？墒牵?%拉伸工藝也能得到99%的應力減少，也完全均勻應力分布。圖9和圖10表明1%干壓縮率，2%潤滑壓縮了（=0.05）和2%拉伸工藝，殘余應力的比較。為了找到淬火減少殘余應力最佳的工藝方法和縮小率，需要比簡單殘余應力考慮更多的方面。首先，確定工藝中合適的機械設備必須是可能的。第二，拉伸，工件需要處理，即抓住邊緣。第三，零件形狀可能不適合一些工藝。例如，不能造成整個零件變形、彎曲和不可接受的扭曲。6.壓縮工藝中彈性模型分析和它對減少殘余應力的影響壓縮過程的所有有限元分析，到目前為止，使用的是鋼模和平模。以前研究考慮的是鍛造操作模具變形【34】

20、。在這部分只進行的是塑性模的模擬。ABAQU二維碼對于淬火工藝壓縮工藝得到的可靠結果一樣。原因是因為，進行的二維壓縮模型顯示了使用鋼模和使用塑模之間的不同和影響。假設估算了A2工具鋼的塑性特性，圖11顯示了使用1%壓縮率殘余應力減少中主要的不同，很明顯，模具的彈性變形對于整體零件有明顯的影響，而且不會集中影響板塊的邊緣和中間區(qū)域，可是，塑性模的影響需要的壓縮率沒能夠達到。為了避免長方形零件和簡單形狀模具的這些效果，必須增長壓縮率來補償彈性模變形。 7.討論和總結淬火工藝試驗結果和有限元分析的結果的比較說明，只要知道樣本的熱特性和材料特性，通過有限元殘余應力的預測，可能得到合理的精度。相比需要專門和昂貴設備的實驗，有限元分析有快速和成本效益的產(chǎn)生。其次，比較塊A和塊C淬火結果顯示，樣本形狀對殘余