（机械设计及理论专业论文）航空铝合金板应力松弛行为的试验研究.pdf

原创性声明 1 i i i iii i i i ii i iii ii i 1 1 1 1 1 i y 1915 2 8 8 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：翅表公 日期：型! 年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：姻塞玺 导师签名 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 7 x x x 系( 铝锌镁铜系) 和2 x x x 系( 铝铜镁系) 是可热处理 强化的变形铝合金，它们具有优良的力学、加工成型性能，且可通过 淬火时效工艺析出大量弥散强化相使合金得到强化，或采用表面喷丸 工艺引入表面压应力以改善材料表面特性从而显著改善铝合金结构 件的疲劳性能，延长其使用寿命，并有效抑制表面微裂纹的萌生与扩 展，故被广泛应用于航空航天等重要领域。但一方面，铝合金淬火过 程中将产生很大的残余应力，严重影响航空铝合金结构件的疲劳强 度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性与后续加工变形等；另一方面，由 喷丸强化工艺引入的表面应力在外部温度、应力等交变载荷下很容易 发生应力释放，从而使其有利效果降低。航空铝合金制件从坯料制备、 冷热加工到工件最终服役，主要经受三类典型但性质不同的载荷：1 ) 温度，关注影响工件力学性能的温度范围；2 ) 振动，即高频微幅应 力载荷：3 ) 应力，多指低频中高应力载荷。本论文以7 0 7 5 与2 a 1 2 航空用铝材为研究对象，借助于x 射线衍射法等应力测试手段，实 验研究并机理探讨淬火铝合金厚板结构残余应力的消减规律与工艺， 及铝合金件表面喷丸应力松弛的影响因素。论文的研究工作主要有以 下几个方面： 1 实验研究了等温保温、阶梯状等温保温温度下铝合金淬火厚 板的应力松弛特点，与不同热、力载荷加载路径下表面喷丸铝合金试 样表面应力的演变特性，并结合应力松弛机理分析了热、力载荷下铝 合金应力松弛的异同。虽然作用载荷性质不同，但最终影响到的是材 料微观特性，故在应力松弛中所起到的效果相当，这也从侧面反映出 理解应力松弛机理应诉诸于材料内部微细观特性的演变规律。 2 研究了振动时效技术中激振频率的选择依据，且理论探讨了 振动时效过程中阻尼对幅频特性的影响，及阻尼幅频特性曲线呈特 定变化趋势的原因，进一步分析并实验得到激振频率或振型对铝合金 厚板淬火残余应力场消减或重分布的影响特性。考虑到工程应用，结 合运用应力疲劳公式与等效线性本构关系，文中提出了一个基于应力 功恒等法的振动时效模型。 3 实验研究了交变循环载荷下铝合金厚板的表层应力松弛规 律。通过测量淬火与喷丸强化工艺后铝合金试样的表面特性，包括表 中南大学硕士学位论文 摘要 层显微硬度、表面粗糙度、表层应力分布及表层强度分布等，主要研 究了试样表层应力梯度与表层屈服强度梯度在铝合金疲劳性能与循 环交变载荷下应力松弛中所表现出的各自特性，得到了铝合金试样应 力消减的主要影响因素与应力演变的一般规律。 关键词：铝合金厚板；残余应力；应力松弛；x 射线衍射法；温时效： 振动时效；交变循环载荷 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t 7 x x xs e r i e s ( a i z n m g c u ) a n d2 x x xs e r i e s ( a 1 - c u - m g ) d e f o r m e d t h e r m a li n t e n s i t ya l u m i n u ma l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e da st h ek e y m a t e r i a l so fa i r c r a f ts t r u c t u r e sd u et ot h e i rf a v o r a b l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dw e l ls u b s e q u e n tm a c h i n i n gm o l d i n gp e r f o r m a n c e t h e p r e c i p i t a t i o n h a r d e n e da l u m i n u ma l l o y sg a i nt h e i rh i g hs t r e n g t h st h r o u g h i一 一一一一 h e a tt r e a t m e n to re n h a n c et h e i ra n t i f a t i g u e p r o p e r t y , f a t i g u e c r a c k i n i t i a t i o na n dg r o w t hr e s i s t a n c eb yi n t r o d u c i n gs u r f a c ec o m p r e s s i v e s t r e s s e st h r o u g hs h o tp e e n i n g o no n eh a n d , av e r yh i g hl e v e lo fr e s i d u a l s t r e s s e sw o u l db ei n t r o d u c e di n v o l v i n gq u e n c h i n gp r o c e s sh a v es e v e r e l y n e g a t i v ei m p a c t s o nt h ea l l o y s f a t i g u e s t r e n g t h ，s t r e s s c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，d i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n ds u b s e q u e n tm a c h i n i n gd e f o r m a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h es u r f a c es t r e s s e si n t r o d u c e db ys h o tp e e n i n gw o u l d b ee a s i l yr e l a x e du n d e re x t e r n a la l t e r n a t i n gt h e r m a lo rs t r e s sl o a d s ，a n d b e n e f i c i a le f f e c t sf r o ms h o tp e e n i n gd e c r e a s es i g n i f i c a n t l y f r o mb i l l e t m a k i n ga n dc o l d & h e a tp r o c e s s i n gt ot h ec o m p o n e n t s 。f i n a ls e r v i c e ， a e r o s p a c ea l u m i n u ma l l o yp a r t sm a i n l yb e a rt h ef o l l o w i n gt h r e et y p i c a l y e tp o s s e s s i n gd i f f e r e n tn a t u r el o a d s ：1 ) t e m p e r a t u r e ，w h o s ef l u c t u a t i n g r a n g ei n f l u e n c i n gp a r t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sh i g h l i g h t e d ；2 ) v i b r a t i o n ， w h i c hm e a n ss t r e s sl o a dp o s s e s s i n gh i g h - - f r e q u e n c ya n dm i c r o - - a m p l i t u d e ； 3 ) s t r e s s ，w h i c hr e p r e s e n t sl o w - f r e q u e n c ym e d i u m h i g hs t r e s sl o a d b y s t r e s sm e a s u r i n go fx - r a yd i f f r a c t i o na n do t h e rm e t h o d s ，t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e sl a w sa n dt e c h n i q u e so fr e s i d u a l s t r e s sr e l a x a t i o no f q u e n c h e d7 0 7 5a n d2 a 12h i g hs t r e n g t ha l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t ea n d s u r f a c es h o t - p e e n e da l l o ys p e c i m e n t h ep a p e ra i m sm a i n l ya tt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 e f f e c t so fi n s u l a t i o nt e m p e r a t u r eo ns t r e s sr e l a x a t i o no fa l u m i n u m a l l o y sa n d i t st s r ( t h e r m a ls t r e s sr e l i e f ) d e v e l o p i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e r d i f f e r e n t l o a d i n gp a t h si n v o l v i n g t h e r m a la n ds t r e s sl o a d sw e r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fs t r e s sr e l a x a t i o n u n d e rt h e r m a ll o a d sa n ds t r e s sl o a d sw e r ea n a l y z e dc o n s i d e r i n gs t r e s s r e l a x a t i o nm e c h a n i s m e f f e c t so fl o a d sw i t hd i f f e r e n tp r o p e r t i e so ns t r e s s i r e l a x a t i o no fa l u m i n u m a l l o y a r e e q u a l s i n c et h es a m em a t e r i a l m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sw o u l db ei n f l u e n c e di nd i f f e r e n ts t r e s s r e l a x a t i o np r o c e s s e s ，w h i c hs h o w st h a tt h eu n d e r s t a n d i n go fs t r e s sr e l i e f m e c h a n i s ms h o u l dt u r nt ot h ed e v e l o p i n g1 a w so fm a t e r i a l i n t e r n a l m i c r o c o s m i cc h a r a c t e r i s t i c st os o m ee x t e n t 2 s e l e c t i o nb a s i so fe x c i t a t i o nf r e q u e n c y , e f f e c t so fd a m p i n go n a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，a n ds p e c i a l l yd e v e l o p i n gt e n d e n c yo f a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v ei nv s r ( v i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f ) w a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d i n f l u e n c e so fv i b r a t i o nm o d e t os t r e s sr e l i e fo r r e d i s t r i b u t i o no fa l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t e sd u r i n g v s rw e r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h e n ，av s rm o d e lb a s e d o ns t r e s sw o r k e q u i v a l e n c e m e t h o dw a se s t a b l i s h e df o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s c o m b i n i n gs t r e s sf a t i g u ee q u a t i o n sa n de q u i v a l e n t l i n e a rc o n s t i t u t i o n r e l a t i o n s h i p s 3 s u r f a c es t r e s sr e l a x a t i o no fa l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t eu n d e r a l t e r n a t i n gc y c l i cl o a d i n g w a se x p e r i m e n t a l l ya n a l y z e d b ys t u d y i n g e f f e c t so fs u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sl i k em i c r o - h a r d n e s sa n dr o u g h n e s s ， s t r e s sg r a d i e n ta n dy i e l ds t r e n g t hg r a d i e n ti nt h es u r f a c el a y e r so nt h e a l l o y s f a t i g u ep r o p e r t i e sa n dc y c l i c s t r e s sr e l a x a t i o nf e a t u r e s ，g e n e r a l 1 a w so fs t r e s sr e l i e fi nq u e n c h e da l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t ea n dm a j o r f a c t o r sa f f e c t i n gs t r e s sr e l a x a t i o ni ns h o t - p e e n e da l l o ys p e c i m e n s k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t e ；r e s i d u a ls t r e s s ；s t r e s sr e l a x a t i o n ； x r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d ；t h e r m a ls t r e s sr e l i e f ；v i b r a t i o n s t r e s sr e l i e f ； a l t e r n a t i n gc y c l i cl o a d i v 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目勇专v 第一章绪论1 1 1 课题来源与研究意义1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究意义。1 1 2 应力松弛及其机理研究现状2 1 3 本论文研究的主要内容6 第二章温度载荷下铝合金厚板应力松弛的实验研究8 2 1 保温温度对铝合金厚板应力松弛的影响8 2 1 1 厚板表面应力松弛结果9 2 1 2 厚板内部应力松弛结果1 2 2 2 加载路径对铝合金表面应力松弛的影响1 4 2 2 1 试验设计。1 4 2 2 2 热、力载荷不同作用顺序下应力松弛的结果与讨论1 5 2 2 3 热载荷与力载荷对残余应力松弛影响的异同1 7 2 3 本章小结1 9 第三章振动时效中铝合金厚板应力松弛的实验研究2 0 3 1 淬火应力对厚板固有频率影响的理论分析2 0 3 1 1 淬火铝合金厚板残余应力场的数学模型2 0 3 1 2 有淬火应力时矩形板的固有频率计算公式2 3 3 2 残余应力对厚板固有频率影响的实验研究2 6 3 2 1 弹性支撑四边自由矩形薄板的固有频率2 6 3 2 2 一端固定薄板的固有频率2 8 3 3 激振频率对铝合金厚板振动时效效果的影响3 0 3 3 1 振动时效中阻尼对幅频特性的影响3 0 3 3 2 振动时效中激振频率的选择3 2 3 3 3 振型影响振动时效效果的实验验证3 3 3 4 基于应力功恒等法的振动时效研究3 7 3 4 1 应力功恒等法的基本思想及公式推导3 7 v 中南大学硕士学位论文 目录 3 4 2 振动时效建模4 0 3 4 3 模型计算步骤4 1 3 4 4 模型应用4 4 3 5 本章小结4 5 第四章循环载荷下表面喷丸铝合金应力松弛的实验研究4 6 4 1 表面强化对铝合金疲劳性能的影响4 6 4 1 1 试验设计4 6 4 1 2 试样表层显微硬度与残余应力分布4 9 4 1 3 试样表面粗糙度分布5 0 4 1 4 残余应力松弛结果5 2 4 2 应力梯度对铝合金残余应力松弛的影响5 3 4 3 铝合金表层屈服强度梯度与残余应力松弛的关系5 6 4 4 本章小结6 0 第五章总结与展望6 1 5 1 总结6 l 5 2 展望6 2 参考文献6 4 致谢7 1 攻读硕士学位期间主要的研究成果7 2 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源与研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论弗一早瑁比 本课题来源于国家重点基础研究发展规划( “9 7 3 ”计划) 项目高性能铝材与 铝资源高效利用的基础研究之课题大规格铝材非均匀多相组织和内应力场 的产生与演变( 课题编号：2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 8 ) 。 1 1 2 研究意义 7 x x x 系( 铝锌镁铜系) 和2 x x x 系( 铝铜镁系) 是可热处理强 化的高强度变形铝合金，它们可以被加工成各种规格、尺寸的制品，目前被广泛 应用于航空、航天等重要领域中。但它经过淬火后出现严重的工艺淬火残余应力， 使工件在后续机械加工时出现变形、甚至翘曲，尤其是厚板容易出现的淬火残余 应力将严重影响其应用【l 】【2 】。因此，淬火残余应力必须足够小，才能满足工业的 需要。目前，航空铝合金制件从坯料制备、冷热加工成型到最终的工件服役大多 经受温度、振动与应力三类典型载荷作用，它们对工件正常服役性能有利也有弊。 由于载荷作用性质不同，故可认为它们在工件服役中的作用是独立的，从而有可 能分别研究此三类载荷下的铝合金板应力松弛规律。 7 0 7 5 铝合金是析出强化型高强合金，而温度是影响其强度或硬度的最主要 因素，从种类繁多且复杂的铝合金热处理工艺即可见一斑。目前大多研究者对该 系合金的研究重点主要是针对本构方程和热加工后显微组织研究其热变形行为， 和通过温度载荷下材料强度和残余应力松弛来研究温时效温成型的规律与机 理，完善温成型理论，指导温成型操作【3 】。研究7 0 7 5 铝合金厚板淬火残余应力 在温度载荷下的演变规律，一方面有助于研究消减厚板残余应力的温时效手段， 另一方面则可分析热、力载荷相互作用下表现出的应力松弛独特性。 振动时效技术多用于黑色金属铸件及焊接件中的残余应力消减，且效果显 著，但成功应用于有色金属中的报道较稀缺。2 x x x 系铝合金也是析出强化型高 强合金，在成形和热处理过程中引入的残余应力将造成工件变形和尺寸不稳定， 将振动时效技术应用于2 a 1 2 航空铝合金，一方面关心对初始残余应力的消减效 果，另一方面应更加关注其均匀化残余应力的能力，因为用于评价残余应力引起 的构件潜在变形能力的两个判据“残余应力幅度 与“残余应变能 与残余应力 水平与均匀化分布密切相关【4 】【5 】。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 7 0 7 5 具有很高的抗拉强度，但疲劳抗性较低【6 l ，工程上一般对其进行喷丸强 化处理，引入不同应力大小和分布状态的表面残余压应力从而有效抑制构件表面 裂纹的萌生川。但有文献指出喷丸引入材料脆化而可能加速疲劳裂纹的扩展【引。 大量文献认为喷丸构件的表层残余应力场是影响材料疲劳特性的主要因素，进而 研究构件表面喷丸的局部残余应力的松弛特性。 综上可知，淬火与喷丸两种强化工艺在高强铝合金的制备与应用中广泛被采 用，故研究其残余应力场在常见的载荷性质，如温度载荷、交变应力载荷及振动 时效下的演变规律等具有重要意义。 1 2 应力松弛及其机理研究现状 残余应力对工程应用存在两个完全相反的效果，一种是典型的淬火残余应 力，此应力对工件的后续加工有极为不利的影响，如加工变形、应力腐蚀开裂及 疲劳失效等，需要采用各种方法消减此类残余应力；而另一种为故意采用表面处 理所引入的残余应力，如表面喷丸等，此类应力可提高构件在外部循环载荷下的 服役寿命，显著改善其力学性能，故多采取一些有利措施从而尽可能保留住此类 应力。根据应力消减的原理，工程应用及实验室研究中消减铝合金结构件残余应 力的主要手段可分为机械预拉伸法、温时效法( 高温下的温时效与低温下的深冷 处理) 及振动时效法等。 机械拉伸法操作简单，耗能成本低，消减原理是将铝板沿轧制方向施加一定 程度上的永久拉伸塑性变形从而发生整体的应力消蒯9 1 【l 们。国内外对此研究己相 当成熟，研究结果也一致表明，控制拉伸量为1 5 3 时，应力消减可达8 0 - 9 5 ，且对材料的力学性能影响较小i l l 】【1 2 】。但此法仅适合于形状简单的零件，且 对拉伸前板材的组织均匀性要求较高，是铝厚板原材料生产厂家消减初始淬火残 余应力的主要手段。实验室环境下，研究者大多选用疲劳试验机等引入交变循环 应力载荷研究铝合金标准试样来模拟机械拉伸或服役工况下的交变外部应力载 荷，探求应力松弛的影响因素、演变规律及松弛机理等。m e k a r a b i n 与e b a r l a t 等人【1 3 】利用简化模型与实验方案研究了微结构梯度对7 x x x 系铝合金轧制板与预 拉伸板应力松弛的影响，他们的结果表明若板具有均匀的屈服面形状，应力松弛 发现后，沿板拉伸方向同一厚度层内的残余应力分布范围与板的力学强度范围相 同，而预拉伸板中，呈现弓形的残余应力分布与强度范围成比例。他们还研究了 沿板厚材料各向同性到不同性时，屈服面形状对屈服强度的影响，塑性各向不同 性可表征强度范围对残余应力松弛的影响。m n j a m e s 与a e p a t e r s o n 等人【1 4 】 研究了恒幅与变幅载荷下带有焊接矩形盖板的6 2 6 1 t 6 铝合金i 形梁的残余应力 松弛及疲劳特性，试样超过1 0 0 个，焊接质量分为多种，引入的载荷也分为热载 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 与振动载荷。m u a m m e rk o c 与j o h nc u l p 等人【1 5 】对7 0 5 0 淬火锻造块采用数值与 试验研究单向拉伸与单向压缩时其残余应力松弛规律，他们发现，两种冷加工方 法都能有效消减铝块的残余应力，但压缩加工更为有效而且更为经济，另外挠度 对应力消减有不利的影响。 对温时效法( t s l lt h e r m a ls t r e s sr e l i e f ) 的研究也相当成熟，因为此法不受 构件形状的限制，很好地弥补了机械拉伸法。温时效法的原理为材料在高温或低 温中其弹性模量、屈服强度等宏观量受晶粒、位错、再结晶等微观因素的制约【1 6 】。 温时效消减铝材残余应力的效果也非常明显，有些情况下还会改善材料的力学性 能，但有时也会显著降低材料的力学性能，控制残余应力与力学性能间的平衡需 要大量的前期研究与制订复杂昂贵的生产设备及工艺【l 丌。由于温时效的特点， 大多学者将温时效的研究重点放在了温成型上，原本靠精密的传统机械方法制作 的复杂零部件现可以利用温时效控制及应力水平与分布而制造出来，但目前对其 应力松弛规律与时效工艺的合理制订仍需进一步深入研究【1 8 】【1 9 】。u g u za 等【2 0 1 ， f e r r a g u tr 等【2 ，及k a r l n om 等人r 2 1 研究表明，超高强铝合金热处理工艺主要有 单级、双级、回归( r e t r o g r e s s i o na n dr e a g i n g ，r r a ) 和三级时效及形变热处理 ( t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ，t m t ) ，形变热处理是改善合金机械性能的有效方 法，对改善7 0 7 5 、2 0 2 4 合金具有明显的效果。a n n a l i s ap o l a 与m a r c e l l og e l f i 等 人【2 3 】利用金相特性、碳酸亚汞测试及x 射线衍射法等研究了退火温度对c 6 8 7 0 0 铝铜合金应力消减与s c c ( 应力腐蚀开裂) 的影响，研究发现，退火温度在短 时2 5 0 。c 时应力发生大幅度松弛，2 0 0 。c 长时保温时的效果也非常可观。h h p a n 与g j w e n g 2 4 j 提出一种非线性理论来计算铝合金双相合金温度载荷下由于 塑性变形引起的应力松弛。j e w y a t t 与j t b e r r y 等人【2 5 】对a 3 6 5 铝合金铸件的 研究表明，锯切是引起锯切区域附近产生局部残余应力的原因，且此区域的残余 应力保持自平衡，直到去除锯切框架后才可没出真正的应力分布。赵培峰、任广 升与沈智【2 6 j 【2 7 】研究了6 0 6 1 铝合金的材料常数、热压缩变形条件对流变应力的影 响及其本构方程，发现7 0 7 5 铝合金热压缩温度在3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 和4 5 0 时流 变行为呈近稳态，而在2 5 0 时呈非稳态。杨立斌、张辉与彭大暑【2 8 】对7 0 7 5 铝 合金高温流变行为的研究则表明，应变速率和变形温度的变化强烈影响着合金流 变应力的大小，流变应力随变形温度升高而降低，随应变速率提高而增大；可用 z e n e r - h o l l o m o n 参数的双曲正弦形式来描述7 0 5 0 铝合金高温压缩变形时的流变 应力行为。王孟君与甘春雷【2 9 】对6 0 6 1 铝合金低温快速流变行为的研究发现流变 应力随变形温度升高而降低，随应变速率提高而增大；在高应变速率下，发生了 不连续动态再结晶，温升强烈地受变形程度的影响，低温快速变形可获得晶粒细 小的组织。戴晓元、夏长清与刘昌斌等人1 3 0 】研究了固溶处理及时效对7 x x x 铝合 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 金组织与性能的影响：t a n n e rda 与r o b i n s o n js 等人【3 l j 贝4 研究了淬火铝合金残 余应力幅度与相关力学特性；k n a n om 与a r a k ii 等人【3 2 l 则研究了再退火与再时 效处理下7 0 0 0 铝合金的应力消减与疲劳性能变化；l id 与l i ujh 等人l j 3 j 研究 了时效处理对7 0 7 5 铝合金机械性能与抗腐蚀特性的影响。d a o m i n gl i 与a m i t g h o s h 3 4 】研究了5 1 8 2 、5 7 5 4 及6 1 1 1 t 4 三种铝合金板在2 0 0 3 5 0 下的单向拉伸 行为，他们发现，单向拉伸的总伸长随温度的升高而增加，随应变速率的增加而 降低，且残余应力与伸长量有相似的变化规律。m d a v i dh a n n a 3 5 1 利用摩擦学评 估方法研究了高温下铝镁合金板在成型特点，塑性变形速率( 应力分布及松弛特 性) 严重影响到零件成型的质量。t e t s u on a k a 等人【3 6 】对影响5 0 8 3 铝镁合金板成 型极限图的两个重要因素温度与成型速率进行了研究，发现应变速度、残余 应力及应变硬化等受到温度的严重影响。n o g a w a 等人【3 7 】研究阶梯状温度下铝 镁合金成型极限的精度问题表明，材料的力学性能与残余应力分布及消减受温度 加载顺序与大小影响。y o n g j u ns k i 等人【3 8 】贝4 利用温度梯度机理理论上研究了铝 合金薄板激光成型的特点。而m s h i o m i 与d t a k a n o 等人特别研究了铝合金在 恰好低于其熔点的温度区域内的力学性能、应力释放及疲劳开裂等问题1 3 9 。 振动时效( v s r , v i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f ) 工艺是一种消减残余应力的新工艺， 可达到t s r 工艺的同样效果，但在许多性能指标上超过t s r t 4 0 】。其工作原理主 要是让构件受激振动，周期性动应力产生的剪切分量与残余应力矢量叠加，在材 料局部高应力区超过其动态剪切屈服应力，从而发生微观塑性变形并释放部分应 力 4 1 1 。此工艺耗能少，设备投资少，效率高，在节能减排和提高产品性能方面 有卓越的表现，使得这一技术在各行各业中有广泛的应用前景。目前v s r 工艺 在焊接件和铸件中应用比较普遍，但在铝合金等有色金属中应用较少【4 2 j 。姚春 臣、陈静林与尹捷等人【4 3 】对2 a 1 2 铝合金板形件振动时效试验研究表明，振动时 效的效果比1 9 0 1 0 h 热处理时效的效果好，能源消耗也远比热处理时效的能 源消耗低，但这种铝合金板振动时效的难度比一般铸件、焊接件振动时效的难度 大一些，应注意优选时效设备和工艺。芦亚萍、何闻m j 运用细观力学的方法研 究外力作用下塞积的开通与残余应力释放的关系，得出了使内部残余应力得到 宏观释放的激振动应力条件为残余应力和激振动应力之和应大于材料的屈服应 力。许畅、乔桂兰等人【4 5 1 1 4 6 】对振动时效动力学的研究揭示了动力学曲线呈“几” 字型变化规律的原因，振动时效中应力松弛是由于残余应力、剪切应力和拉压应 力的剪切应力分量共同作用的结果。陈立功、倪纯珍等人一7 】通过实验设计、模 拟试验、数据处理、回归方程形式设计、回归拟合效果分析等建立了振动时效动 应力判据数学建模研究的系统方法。s k w o f i e l 4 8 1 则提出了一个基于流变塑性理 论的振动时效仿真模型，很好地模型出振动时效过程。 4 中南大学硕上学位论文第一章绪论 目前对铝合金等合金金属材料应力松弛的机理解释主要集中于： 1 ) 包辛格效应：是材料施加反复应力时表现出的特有现象。当对金属材料 施加一个方向的应力( 如拉应力) 使其产生塑性变形后，再施加相反方向的应力 ( 如压应力) 时，材料会更容易产生塑性变形，即屈服强度会有所降低。在金属 单晶体材料中不出现包辛格效应，所以一般认为它是由多晶体材料晶界间的残余 应力引起的。包辛格效应使材料具有各向异性性质，有反向塑性变形的问题须考 虑包辛格效应【4 9 】。包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义，在理论上由 于它是金属变形时长程内应力的度量，可用于研究材料加工硬化的机制；而在工 程应用上，一方面材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应，另一方面包辛格效应 大的材料，内应力也较大。 2 ) 位错理论：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上的滑移，残余应力 的产生是因为滑移未能完整地在滑移面上完成。材料内部位错相互作用，还有空 位等点缺陷及晶界、亚晶界的影响，所以实际构件内部残余应力是众多因素导致 的晶格畸变的综合结果。造成晶格畸变大部分是由于位错、晶界和亚晶界，而晶 界和亚晶界实际上也是由大量位错堆积而成，故残余应力的本质是晶格畸变，而 晶格畸变很大程度上由位错控制【5 0 1 。材料中的位错密度会随着塑性形变的继续 而增加，故材料内部存在着位错的起源与增殖的机制，且在外加应力的作用下将 被激活。而适当的热处理方法可以消除由于位错的积累和相互阻挡所造成的应变 硬化，此过程中金属内部发生的回复或再结晶等过程可以消除材料的内应力，甚 至完全恢复材料变形前的性能。但相对而言，位错的滑移较攀移受温度影响程度 要小得多。 3 ) 蠕变与应力松弛理论：金属在高温和低于屈服强度的应力作用下，材料 塑性变形量随时间延续而增加的现象；或金属在高温和应力作用下，如维持总变 形量不变，则随着时间的延长，弹性变形逐渐转变为塑性变形，从而逐渐使应力 减小的现象。低应力下位错运动缓慢甚至停止，但金属原子因扩散运动仍连续移 动而发生蠕变( 蠕变扩散为主) ；而高应力下将发生位错蠕变且与应力有很强的 非线性关系。蠕变与材料微观结构关系很密切，常温下溶质原子在位错附近形成 气团，及溶质原子对位错的钉扎等是主要的强化机制；而高温下溶质原子降低位 错攀移速率，且延缓回复过程，从而降低蠕变速率；且第二相粒子的弥散度、稳 定性越高，有效阻碍晶内位错滑移、攀移及晶界滑动的能力越强【5 1 1 。蠕变在低 温下也会发生，但只有达到一定的温度( 蠕变温度) 时才能变得显著，而应力松 弛过程也会引起超静定结构中内力重新分布，如用振动法消除残余应力就是使松 弛过程加速，以消除材料微结构变形不协调引起的内应力，从而使流动的粘弹性 流体速度梯度减小或突然降为零。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 4 ) 应变能原理：材料在承受循环载荷时，其能量状态不断变化，在塑性变 形的不可逆过程中则伴随着能量耗散【5 2 1 。应变能是指物体变形过程中贮存在物 体内部的势能，而构件内部残余应力场可用于表征应变能存储量，残余应力的消 减则反应应变能在外部载荷作用下不断释放。a r a v a s 和k i m 等人【5 3 】对金属塑性 变形时能量存储状态的研究表明，绝大部分塑性应变能转化为热能耗散掉，剩余 部分则存储于材料内。可将由残余应变产生的应力场称为应变势，无应力状态下 势能为零，是最稳定的状态，而含应变势的构件在一定的条件下其应变势能有降 低并趋于零的趋势。由于铝合金等材料具有循环硬化的特性，在循环加载时塑性 应变能密度不断下降。 以上应力松弛机理都从侧面解释了某一种或某几种应力松弛现象，但尚未出 现一个统一的机理或理论来解释各种应力松弛现象，但从大多研究者的研究角度 出发，位错理论深入到材料微观内部，其微细观机理的研究解释了大多数应力松 弛现象的宏观表现，故对学者们的吸引力较大，有望得到进一步的发展。 实验室中多采用疲劳试验机引入应力载荷、加热炉引入温度载荷、热模机引 入热力载荷及振动时效装置引入振动载荷等方法研究铝试样的应力松弛规律及 对疲劳性能、力学性能、裂纹萌生与扩展等的影响。可以说，对铝合金等材料的 应力松弛的试验或机理分析探求是目前国内外研究最多、最广及最深入的研究形 式，表现在：a ) 载荷性质、加载形式及加载路径不同；b ) 试样规格多样；c ) 残余应力性质多样；d ) 研究手段、原理及方法跨学科；e ) 研究目标、内容及结 论跨学科。 1 3 本论文研究的主要内容 许多研究者对7 x x x 系铝合金于温度载荷、振动时效下抑或是循环应力下的 应力松弛规律进行了单方向的研究，目前尚未或很少有学者尝试交叉利用几种方 法综合研究高强铝合金的应力松弛或消减问题，故本文针对不同性质载荷下且具 有不同初始常见残余应力场的铝合金，研究其应力松弛特点，并以此探求应力松 弛的机理，意义重大。 目前，x 射线衍射法是无损测量残余应力最为方便可靠的技术，本文即以此 测试方法为基础，对各种载荷下铝合金厚板的应力松弛进行试验研究，并尝试探 求应力松弛的机理。论文的主要内容安排如下： 1 ) 温度载荷下铝合金厚板的应力松弛。从工程应用角度看，温度载荷无处 不在，且影响范围较广，前人的工作多注重温度载荷下材料内部演变的微观机理， 普遍忽略了过高温度能有效消减残余应力的同时也大幅降低了工件的力学性能， 即温度范围的合理选择。本文在保证工件的力学性能的前提下，合理选择温度范 6 中南大学硕上学位论文第一章绪论 围，主要研究等温保温( 包括阶梯状保温) 温度下7 0 7 5 铝合金厚板淬火后结构 残余应力的应力消减现象，并与循环应力载荷条件下表面喷丸铝合金试样的应力 松弛现象对比，分析不同性质载荷及不同加载路径下应力松弛规律的异同，最后 由实验现象并结合位错理论等现存机理探讨实验中的应力松弛现象。 2 ) 振动时效中铝合金厚板的应力松弛。从工程应用看，本文中的振动是高 频微幅应力载荷，与低频中的中高应力载荷最大的不同是需要考虑到工件在接近 或达到其固有频率时的振动特性。故本文主要研究两方面问题：a ) 通过理论推 导与实验结果分析淬火残余应力场对2 a 1 2 铝合金厚板振动参数( 固有频率等) 的影响，并结合阻尼幅频特性曲线探讨振动时效过程中振动参数呈特有变化趋 势的现象；b ) 研究振动时效过程中激振频率的选择( 即等效于振型的选择) 及 其与振动时效效果的交互作用，最后提出一基于应力功恒等法的振动时效仿真模 型用于工程估算与评估。 3 ) 表面改性对铝合金疲劳性能与残余应力松弛的影响。工件服役前对其进 行表面改性属于工程中常用的手段，本文主要研究喷丸强化工艺对7 0 7 5 铝合金 试样两方面的影响：a ) 引入的表层残余压应力对改善试样疲劳性能的影响；b ) 引入的表面粗糙度、表层残余应力梯度及表层屈服强度梯度对试样承受外部交变 循环应力载荷下发生应力松弛的影响。 4 ) 循环应力载荷下铝合金厚板的应力松弛。工程中普遍存在着低频中高应 力载荷，本文即主要研究具有不同初始表层残余应力水平及分布状态的试样经不 同工艺的表面改性处理后，影响其残余应力松弛