（机械电子工程专业论文）7075铝合金板拉伸工艺研究.pdf

重庆人学硕士学位论文 中文摘要 摘要 7 0 7 5 铝合金广泛应用于航空、航天等重要领域，其淬火过程中产生的较大残 余应力，在后续加工过程中导致航空整体结构件产生变形。由此，铝合金板残余 应力的降低与消除研究显得异常重要，铝合金板材淬火后的残余应力大小及分布 情况是其消除技术研究的初始条件，也是研究机械拉伸法消除铝合金板材残余应 力工艺的前提基础。 论文针对铝合金板淬火过程中板材温度场的变化，热应力的形成及转变原因， 淬火后残余应力的大小及分布规律，及采用机械拉伸法拉伸消除铝合金板残余应 力的最优拉伸率等问题开展研究。为提高产品质量及后续的研究工作，提供更好 的参考。 论文主要研究内容如下： 考虑7 0 7 5 铝合金高温下的材料属性，采用准耦合法对7 0 7 5 铝合金板淬火 过程进行数值模拟，对铝合金板淬火过程中温度场的变化规律、应力场的产生及 转变原因、淬火完毕后板材残余应力场的大小及分布特征展开研究，为后面消除 残余应力的研究提供理论支持； 分析机械拉伸法消除铝合金板材淬火残余应力的机理，建立7 0 7 5 铝合金 板材预拉伸过程的有限元分析模型，研究铝合金板拉伸后残余应力的大小及分布 特征，对采用不同拉伸率拉伸后板材残余应力消除效果进行对比分析，优化7 0 7 5 铝合金板材的拉伸率； 7 0 7 5 铝合金板材淬火残余应力和拉伸后残余应力的实验测试研究，对7 0 7 5 铝合金小试件进行淬火和拉伸作业，采用钻孔法测量淬火后和拉伸后的残余应力， 并与有限元模拟结果进行对比对比分析，验证数值模拟模型的准确性。 关键词：7 0 7 5 铝合金，淬火，拉伸，残余应力，钻孔法 重庆人学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t 7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yi sw i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ei n d u s t r y h o w e v e r ，t h e s u b s e q u e n tr e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s si n t r o d u c e di nt h eq u e n c h i n gp r o c e s sm a y l e a dt o d e f o r m a t i o no ft h ew h o l ea e r o s p a c es t r u c t u r ep a r t s t h e r e f o r e ，t h ed e c r e a s e o r e l i m i n a t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nt h ea l u m i n u ma l l o yp l a t e si sv e r yi m p o r t a n t t h ev a l u e a n dd i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s sa f t e rt h eq u e n c h i n gp r o c e s so ft h ea l u m i n u ma l l o y p l a t e si st h ei n i t i a lc o n d i t i o nt oe l i m i n a t er e s i d u a ls t r e s sa n di ti sa l s ot h ep r e r e q u i s i t et o r e s e a r c ht h em e c h a n i c a ls t r e t c h i n gm e t h o do fe l i m i n a t i n gt h er e s i d u a ls t r e s s t h ea l u m i n u ma l l o yp l a t e s t e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g ei nt h eq u e n c h i n gp r o c e s s ，t h e c a u s e so ft h e r m a ls t r e s sg e n e r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n ，t h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o no f t h e r e s i d u a ls t r e s si nt h ec o u r s eo ft h eq u e n c h i n gp r o c e s s ，a n dt h eo p t i m u mt e n s i l er a t eo f t h em e c h a n i c a ls t r e t c h i n gm e t h o dt oe l i m i n a t et h ea l l o yp l a t e s r e s i d u a ls t r e s s a r e s t u d i e d w h i c hc a r lp r o v i d eb e t t e rr e f e r e n c ef o r t h ep r o d u c tq u a l i t yi m p r o v e m e n ta n dt h e s u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： w i t ht h ep r o p e r t i e so f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ec o n s i d e r e d ， t h eq u a s ic o u p l i n gm e t h o di su s e dt os i m u l a t et h eq u e n c h i n gp r o c e s so f7 0 7 5a l u m i n u m a l l o yp l a t e s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g el a w a n dt h es t r e s sf i e l dg e n e r a t i o nc a u s ea n d t r a n s f o r m a t i o ni nt h ea l u m i n u ma l l o yp l a t e s q u e n c h i n gc o u r s e ，a n dt h ev a l u ea n d d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sf i e l dl e f ta f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h eq u e n c h i n gp r o c e s sa r e s t u d i e d ，w h i c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rf u r t h e rr e s i d u a l s t r e s se l i m i n a t i o n r e s e a r c h ； t h em e c h a n i s mo ft h em e c h a n i c a ls t r e t c h i n gm e t h o de l i m i n a t i n gr e s i d u a ls t r e s s i nt h ea l u m i n u ma l l o yp l a t e si sa n a l y z e d ，t h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d m o d e lo f p r e t e n s i o np r o c e s so f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yp l a t e si sb u i l t ，t h ev a l u ea n d d i s t r i b u t i o no f t h er e s i d u a ls t r e s sa f t e rs t r e t c h i n gi ss t u d i e d ，a n a l y s i so ft h ee l i m i n a t i o ne f f e c tb yu s i n g d i f f e r e n tt e n s i l er a t es t r e t c h i n gi sc a r r i e do u t ，a n dt h et e n s i l er a t e so f7 0 7 5a l u m i n u m a l l o yp l a t e sa r eo p t i m i z e d e x p e r i m e n t a lt e s t so fr e s i d u a l s t r e s so fa l u m i n u ma l l o y7 0 7 5p l a t e sa f t e r q u e n c h i n ga n da f t e rs t r e t c h i n ga r ec o n d u c t e d ，q u e n c h i n ga n ds t r e t c h i n go p e r a t i o n s o f t h e7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yt e s ts p e c i m e na r ep r a c t i c e d ，t h ed r i l l i n gm e t h o di sa p p l i e dt o m e a s u r et h er e s i d u a ls t r e s sa f t e rq u e n c h i n ga n ds t r e t c h i n gp r o c e s s e s ，a n dt h er e s u l t sa r e 重鏖奎堂堡堂篁笙奎 英文摘要 一 ：二：= 二： a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o n ，w h i c h v a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l k e yw o r d s ：7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y ，q u e n c h i n g ，s t r e t c h ，r e s i d u a l s t r e s s ，d r i l l i n g m e t h o d i i l 重庆人学颂十学位论文1绪论 l 绪论 1 1 研究背景及意义 课题来源于国家科技特派计划资助项目“1 2 0 0 0 吨航空用大型铝板张力拉伸机 拉伸过程控制关键技术研究及应用”( 编号：2 0 0 9 g j f l 0 0 2 8 ) 。 铝合金材料具有密度小、高强高韧、耐腐蚀、易成形等许多优点，如常见的 7 0 7 5 、7 0 5 0 、2 0 2 4 等变形铝合金，以及最新研制的7 0 8 5 铝合金。在航空航天、军 事工业、民用工业等领域的应用十分广泛，特别是在航空工业中，航空整体结构 件通常采用高强度铝合金厚板直接铣削加工而成。 法国空中客车公司预测称，未来二十年全球航空市场新增民用飞机总量将达 2 5 0 0 0 架，以及我国“大飞机”项目的立项实施，对大断面、高质量的铝合金宽 厚板的需求变得日益迫切。由于现代航空业工业对飞机性能要求的不断提高，许 多构件如接头、梁架、隔等都基本采用整体结构设计。采用整体构件代替原来以 前的铆接件，降低了铆钉的数量及减少了变形，飞机质量得到提高；减少了零件 数量，降低了重量，工作量大大降低，缩短了飞机制造时间，提高了生产效率。 而为了获得高性能的铝合金厚板，必须将板材经过轧制、淬火等工序，在这 一系列的工序中铝合金板材都会存在相应的残余应力，残余应力的存在危害很大， 导致构件后续的d h - f 过程中产生较大变形，甚至报废，影响航空航天工业的发展； 构件中的淬火残余应力，若不对其进行充分降低或消除，长时间工作，性能会大 大降低，容易发生事故。因此残余应力引起的加工变形问题制约着航空工业的自 动化制造，严重制约着国家大型飞机的研制和生产。为了降低铝合金厚板淬火后 的残余应力，就必须采用大型张力拉伸机对其进行预拉伸处理，万吨级大型张力 拉伸机是生产高性能航空级铝合金厚板产品的关键设备。西南铝率先在国内启动 与国家“大飞机”项目相关的厚板生产线工程，其中包括重点项目1 2 0 0 0 吨张力 拉伸机的开发，该厚板项目建成后，可以为中国制造大飞机提供多种铝合金材料， 大飞机的许多部件都是采用厚板直接铣削等加工而成。目前许多企业在对预拉伸 板拉伸消除残余应力时由于不清楚残余应力状态，只能照搬国外数据，且对于拉伸 后板材内残余应力消除状况也不清楚【2 j 。 对于铝合金板材淬火后残余应力的分布情况以及拉伸工艺，大量人员在进行 了研究工作，并取得一系列的阶段性成果，但还没有形成一个系统化的技术理论 体系，特别是淬火残余应力的形成机理，学术界对此一直都不是很清楚。因此消 除淬火残余应力技术的研究有很多的待研究领域，并且这些领域的研究将会直接 为铝合金淬火残余应力的消除和控制工艺提供急需的科学参考 3 。 重庆大学硕士学位论文 l绪论 课题通过数值模拟结合实验测试，研究了7 0 7 5 铝合金板在淬火过程中应力应 变的变化规律以及淬火后残余应力、拉伸后残余应力的大小及分布特征；确定了 了7 0 7 5 铝合金板的最优拉伸率，为7 0 7 5 铝合金板材的拉伸工艺参数提供直接的 数据参考，为实际生产中制定最佳工艺方案和优选工艺参数提供指导，具有重要 的意义。 1 2 残余应力研究发展概况 1 2 1 残余应力的产生原因及分类 残余应力是当没有任何外载荷作用的情况下，存在于构件内部且在整个构件 内部保持平衡的应力，还被称为内应力、白有应力、残留应力等 4 。它以弹性方式 存在于构件内部，并保持自平衡状态。因此可认为残余应力是一种同有应力 ( i n h e r e n ts t r e s s ) 。 残余应力的产生原因，主要可以分为以下三类 6 ： 不均匀的塑性变形 非均匀分布的弹塑性变形都会导致材料内部相邻的部分应变1 i 一致，从而产 生残余应力。构件的几何形状、加工处理过程等因素决定了残余应力的性质与大 小。构件在很多加工工艺中均会出现残余应力，如塑性成型、冷拔、滚压、表面 喷丸等。当对构件施加外载荷时，其一部分区域进入塑性变形状态，当外载荷卸 载后，塑性变形不可恢复，塑性变形部分限制了构件相邻部分变形的恢复，导致 了残余应力的产生。 热的作用 构件在加热和冷却等处理过程中，形状复杂等因素会使构件每个部分问的热 传导状态不同，构件内的温度分布不均匀，致使构件内各部分的弹性模量、热膨 胀系数等不同，因此其产生了不均匀的的塑性变形。铝合金经过淬火与时效等热 处理后，及一些热加工过程都会产生残余应力。热作用导致的构件不均匀塑性变 形，也会产生残余应力。此外热处理过程中由于各种金相组织的比热容不同，导 致出现相对形变，从而产生残余应力。 化学变化 这种残余应力是在构件表面向内部扩展的化学变化的过程中产生的。铝合金 构件的表面化学处理与铝基复合材料等就属于这种情况。 工艺过程产生的残余应力一般都是变形、热和相变一起作用的结果。不同的 工艺参数和构件的几何形状、尺寸大小等对残余应力的产生的有着比较复杂的影 响。 残余应力对构件的影响主要表现在两个方面，对材料的强度和构件的形状尺 重庆人学硕士学位论文 1绪论 寸的影响。具体表现在： 导致构件形状或尺寸发生变化。 当构件存在残余应力时，则构件会产生相应的不均匀的弹性变形。此外，假 如某种因素( 如机加工) 造成构件内残余应力的释放或其应力的平衡遭到破坏，也会 引起构件尺寸形状的改变。特别是淬火后构件产生的残余应力，往往使构件发生 变形翘曲，严重的会出现裂纹，导致后续加工过程中出现变形破裂。 影响零件的使用寿命。 当含有残余应力的构件承受外部载荷时，其内部所受应力为外应力与残余应 力之和。所以有些时候工作应力在低于材料的屈服强度或断裂强度的情况下，由 于残余应力的原因造成使材料局部进入塑性变形；从而使构件过早出现断裂，影 响其寿命。采用喷丸处理等一些措施，改变构件表面残余应力状态，对提高构件 的使用寿命效果比较好。 影响材料的塑性。 残余应力加大了构件应力和应变的不均匀，降低了材料的塑性。 残余应力降低了材料的抗腐蚀、韧性及疲劳强度。 材料的性能、产生的条件等会影响残余应力的存在状态，所以其分类方法也 有多种，1 9 7 3 年德国学者e m a c h e r a u c h 提出的分类方法得到普遍认同，其将残余应 力分成三类【5 ： 第1 类残余应力也即宏观残余应力( m a c r or e s i d u a ls t r e s s ) 。其在构件较大的范围 存在并处于平衡状态，在多数个连续的晶体范围内为常数，这类应力的大小方向 一般可以用通常的物理或机械方法进行测量。如果破坏了其平衡状态，将会使得 构件尺寸形状发生改变。 第1 i 类残余应力称为微观结构应力( s t r u c t u r a lm i c r os t r e s s ) 。它一般存在于一个 或少数几个晶粒范围内，并处于平衡状态，保持均匀不变。一般常在不同相材料 或不同物理性质材料之问产生。如果这类残余应力的平衡状态被破坏，也会导致 构件尺寸形状发生改变。 第1 i i 类残余应力称晶内亚结构应力( s u bs t r u c t u r a ls t r e s s ) ，。这种应力是存在于 晶粒若干原子范围内，在晶粒一小部分内处于平衡状态，而在晶体亚结构范围内 大小不均匀。般这类残余应力平衡状态被破坏时，不会导致构件尺寸形状的改 变。 此外还有分为有害和有利残余应力的等等。 1 2 2 铝合金淬火残余应力的产生机理及其消除技术 为了是铝合金具有较高的强度和韧性，一般航空铝合金毛坯都要进行固溶处 理。在铝合金材料从约5 0 0 。c 的高温快速冷却到较低温度( 取决于铝合金类型) 的过 重庆人学硕士学位论文1绪论 程中，会产生很大的热应力梯度，冷却完毕后构件表面通常呈现出压应力而芯部 部呈现出拉伸应力状态。应力大小及分布情况与构件的几何形状和尺寸有关，形 状复杂且厚度不均匀的构件容易产生较为复杂的应力状态。 7 0 7 5 铝合金板的生产t 艺过程为： 熔炼_ 铸造_ 均匀化_ 热轧_ 4 7 3 。c 固溶一淬火一预拉伸_ 时 效_ 机械加工 以上过程中，导致板材内产生残余应力的主要是淬火工艺。淬火过程r f l 在温 度与组织转变一起作用下导致了应力的产生。而通常铝合金板在淬火过程中相变 的作用很小，可忽略不计，冷却过程中形成的较大温度梯度引起的热应力才是淬 火残余应力产生的主要原因。 相关成果表明，通过改进淬火工艺来降低铝合金板材内的淬火残余应力，其 效果不是很明显，因此一般在铝合金毛坯生产过程中，安排特定的残余应力消除 工艺。国外在这方面的研究开展得比较早，2 0 世纪中期，英美等国家就已经开始 研究消减淬火残余应力的工艺，并形成包括热作用法与机械作用法两大类淬火残 余应力消除工艺 1 2 - 1 5 ，其中机械作用法又包括机械拉伸法、模冷压法、振动消减 法等。 热作用法 热作用法消本质就是应力松弛。如时效及退火处理就是这种方法，铝合金材 料对温度很敏感，提高时效温度会降低其强度指标，故淬火后时效处理通常在较 低温度( 2 0 0 一2 5 0 ) 下进行，其应力消除效果较差( 仅为1 0 一3 5 ) 。但该方法会 导致材料机械性能不同程度的下降。目前为改善残余应力消除效果，热作用法常 与其它消应力方法结合使用，如振动时效法 1 6 - 1 8 。 机械拉伸法 机械拉伸法是沿铝合金板轧制方向施加一定量的拉伸塑性变形，实质就是破坏板 材内部淬火残余应力原有的内力平衡状态，使拉伸应力与原来的淬火残余应力叠 加后发生新的塑性变形，使残余应力得以释放和消减。机械拉伸法消除残余应力 的比例最高可达9 0 以上 19 1 。该方法不仅是消除铝合金板材残余应力最有效、应 用最广泛的方法，而且铝合金板材经过预拉伸后还保留了热处理强化合金所具有 的高强度和高性能，同时实现了优良的机械性能和加工性能。对于铝合金板材生 产厂家，由于板材形状简单，该方法最为适用，且残余应力消除效果最为明显。 深冷处理法 深冷处理法也称冷稳定处理法( c o l ds t a b i l i z a t i o n ) ，是将含有残余应力的构件 浸入液氮中一段时间，待构件内温度降至均匀后又迅速取出并喷射热蒸汽，由于 急热和急冷会产生方向相反的热应力，可以抵消原有的残余应力场 2 0 , 2 1 。其中王 重庆大学硕士学位论文 1绪论 秋成博士的研究，应力消除效果可达n 5 5 2 2 j 。其主要优点是在有效消除残余应 力的同时，可改善材料的强度、硬度、耐磨性与组织稳定性。深冷处理对构件的 尺寸与形状要求较低，凶此适合于形状复杂的模锻件与铸件 2 3 , 2 4 1 。 振动消除法 振动消除残余应力法的工作原理是用激振设备，使构件产生一个或多个振动 状态，当构件内相应部位的残余应力与振动载荷叠加后，某些部位超过材料的屈 服极限引起塑性应变，从而引起残余应力的减小和重新分布。铝合金在淬火后的 不稳定状态( ( 0 2 小时内) 进行振动消除，效果比较好，残余应力最大可降低5 0 7 0 25 1 。 模冷压法 模冷压法是针对形状复杂的铝合金模锻件，利用特制的精整模具，以受严格 控制的限量冷整形来消除残余应力。其主要机理是使铝合金模锻件局部受“压缩” 或“拉伸”作用而使某些部位的残余应力得以释放。该方法主要是调整铝合金模 锻件的整体应力水平，它在减小某些部位残余应力的同时，也有可能增大其它部 位的残余应力，模压变形过小会使消除效果彳i 佳，而模压变形量过大则可能引起 裂纹和断裂。其局限性是在实际操作中需要精确控制模压变形量 1 9 1 。 1 2 3 铝合金残余应力主要测试方法 目前广泛应用方法可分为两大类：无损测试的物理方法和有损测试的机械方 法。 无损检测试法有：x 射线衍射法、中子衍射法，磁性测定法、超声波测定法 等。无损测试是利用材料内部结构存在异常或缺陷而引起对热、声、光和电磁等 反应的变化，来评价结构异常或缺陷。应用广泛的是x 射线衍射法，其余方法由 于相应的测试设备比较稀缺和昂贵，工程应用较少。 有损检测法有：钻孔法、环芯法、剖分法、剥层法与裂纹柔度法，它们属于 破坏和半破坏检测方法。有损测试是利用机械加工或者其它方法将被测构件去除 一部分，破坏残余应力所保持的原有平衡状态，使其全部或部分残余应力得到释 放而产生相应的应变与位移，测定这些应变或位移，通过力学分析可反推计算出 构件加工破坏处原来存在的残余应力。其中应用最多的为半破坏性的钻孔法，这 些方法的区别，实质上就是释放残余应力的方式不同从而产生了不同的测试方法。 主要测试方法介绍： 钻孔法 j m a t h a r e 2 7 于1 9 3 4 年首先提出钻孑l 法，又称为, j , 4 l 法或盲孔法，后经改进， 现在己经成为比较成熟的残余应力测试方法。其思想是在具有残余应力的构件上 钻+ 个小孑l ，使孔的临域内由于部分应力释放而产生相应的位移和应变，由此换 重庆火学硕十学位论文 l绪论 算得到钻孔处的残余应力。钻孔法在工程上得到广泛应用，对构件损伤小，甚至 不影响构件的正常使用。美围材料试验协会a s t m 于1 9 8 1 年颁布了钻孔法测量残 余应力标准，并住1 9 9 9 年进行了第二次修订，该标准最新为a s t m e 8 3 7 9 9 【2 8 1 。 国内船舶行业也将钻孔法作为测量焊接残余应力的标准方法【29 1 。 剖分法 剖分法是早期的残余应力测试方法，其基本思路是通过剖分材料引起残余应 力释放，只有残余应力释放才能引起应变的释放，从而由测定的释放应变计算出 残余应力。是一种破坏性比较大的方法，测量时将构件被测部分完全分离，以使 残余应力全部释放。如图1 1 a 所示。 剖分槽应变片 爹缎 萎 ( a ) 剖分法 环槽应变花 ( b ) 环芯法 图1 1 剖分法与环芯法残余应力测量示意图 f i g u r e1 1r e s i d u a ls t r e s sm e a s u r e m e n ts c h e m a t i cd i a g r a m so fs u b d i v i s i o nm e t h o da n dr i n g c o r e m e t h o d 环芯法 环芯法是改进了机械加工方式的剖分法，剖分时采用特制的环芯刀，使剖分 法更便于实际应用。环芯法1 9 5 1 年由德国m i l b r a d t 3 0 】提出。环芯法是改进了机 械加工方式的剖分法，剖分时采用特制的环芯刀，使剖分法更便于实际应用。在 一个存在一般状态残余应力场的区域表面上粘贴一应变花，以应变花为中心加工 一个环槽，使得环芯边界上的残余应力得到释放后引起环芯表面应变释放，根据 应变花测定的释放应变就可以计算出残余应力的大小和方向。目前很多国家已将 环芯法作为汽轮发电机组转子部件残余应力测定的标准方法 3 1 1 。如图1 1 b 所示。 重庆大学硕士学位论文1绪论 剥层法 剥层法经常用于测定几何形状简单的试件的残余应力，其测量原理为：当从 含有残余应力的平板上去除一层材料时，其内部残余应力将不再平衡，当它重新 平衡时将导致平板变曲，平板弯曲的曲率取决于被去除掉的那层材料的原来的残 余应力分布和遗留部分材料的弹性性能。通过逐层去除并测量其去除后的曲率， 平板的原始残余应力分布就可通过计算得到。 裂纹柔度法 裂纹柔度法的测定原理为：从存在残余应力的构件表面引入一条深度逐渐加 深的裂纹来释放原始残余应力，通过测定不同裂纹深度相应指定点处的应变值来 计算原有残余应力。在实际实验操作中，由于裂纹不易控制，一般通过铣削或线 切割等加工工艺来产生一条宽度极小的窄槽来代替裂纹，从而计算被测物体沿深 度方向的残余应力分布【32 | 。 裂纹柔度法最大的优点是能够测试物体内部残余应力，因此国内外学者在该 方法的应用方面进行了很多有益的探索。该方法于1 9 7 1 年由s v a i d y a n t h a n 与 i f i n n i e 等人最早提出【33 1 ，但由于测试过程繁琐而没有引起足够的重视。随着计算 机技术的提高和数值计算方法的改进，解决了该方法在工程应用上的关键难题， 使得该方法得以重新推广。如国内的朱甫金、王秋成、张旦闻以及唐志涛等人利 用该方法成功的测定了铝合金板材内部沿厚度分布的残余应力【3 4 刁6 l 。 x 射线衍射法 x 射线衍射法的基本原理为：当材料受到力的作用产生应变会使材料晶粒中 晶胞的晶面间距发生变化，通过测量晶面间距的变化来测量应变。该技术把晶格 间距作为最终的度量长度而测得绝对的应力值，该方法是目前使用最为广泛的无 损残余应力测试方法，主要缺点是对试件尺寸与几何形状有很大限制。另外其设 备昂贵使测试成本太高，国内仅有少量此类研究报道【37 | 。 其它如中子衍射法、同步衍射法等的工作原理与x 衍射法一样，也是根据材 料内部弹性变形引起品粒中品胞的品面间距相对于零应力状态时的相对变化量进 行应力的测定。这些无损残余应力测试方法所涉及到的设备则非常稀缺，测试成 本非常昂贵，仅限于少数欧美国家实验室，国内尚无此类研究报道 3 8 - 4 0 。 1 2 4 铝合金淬火及拉伸数值模拟技术研究现状 淬火过程是一个复杂而短促的热力耦合过程，其中同时存在着温度场、热应 力场、弹性与塑性应变场、热效应与温度效应以及应变硬化、热传导等多种热力 学参数的变化，对其进行精确的测量和定量的描述是不做不到的。 随着计算机技术的迅速发展及一些基础应用研究的增多，热处理过程的数值 模拟技术发展迅速，出现了很多应用软件，如常见的有a b a q u s 、a n s y s 、m a r c 重庆人学倾士学位论文1绪论 等通用有限元软件，还有美国的d e f o r m h t 、瑞典的t r a s t 、同本的h e a t s 、 上海交通大学的s j h t _ c a r b c a d 、清华大学的n s h t 等一些比较专业的软件，对 热处理过程数值模拟技术的发展起到了很大作用。 近年来，国内外已开展了很多采用计算机数值模拟淬火过程研究。较多的学 者对淬火过程的数值模拟技术深入研究，取得了较好的成果。铝合金热处理过程 及预拉伸过程的计算机数值模拟有了一定的进展。 国外，日本的t i n o u e 和d y j u 等 4 1 , 4 2 1 从2 0 世纪8 0 年代开始研究热处理过程 的数值模拟技术，建立了热处理数值模拟过程中考虑组织转变的热力耦合模型， 并开发出专门的热处理过程数值模拟软件h e a r t s 。9 0 年代以来，铝合金的淬火 过程数值模拟有了较大的发展。1 9 9 2 年b a k s e l 、w r a r t h u 4 3 1 以及 r i r a m a k r i s h n a n 4 4 1 等人对7 0 7 5 铝合金板的淬火残余应力进行了数值分析。2 0 0 0 年d a t a n n e r 4 5 利用a b a q u s 软件对7 0 1 0 铝合金锻件的淬火残余应力进行了数 值模拟。2 0 0 6 年m u a m m e rk o c 、j o h nc u l p 4 6 j 等人对7 0 5 0 铝合金厚板的淬火残余 应力进行了数值模拟，详细描述了板材内部残余应力的分布，并与试验测试结果 进行对比，验证了数值模拟的精确度。 国内，19 9 3 年李健 47 对l y l 2 铝合金板材淬火残余应力进行了数值模拟分析。 1 9 9 9 年李利 4 8 对7 0 7 5 铝合金板材淬火与拉伸处理前后残余应力进行了有限元数 值模拟，力图寻求最佳的拉伸工艺参数，曹金荣 4 9 利用数值模拟技术研究了冷变 形对7 0 7 5 铝合金模锻件淬火残余应力的影响。2 0 0 1 年刘培英【5 0 】等人对铝合金的固 溶冷却过程、时效沉淀做了数值模拟研究。2 0 0 2 年朱伟 5 1 对不同淬火介质温度下 的7 0 7 5 铝合金厚板淬火残余应力进行了数值模拟研究，寻求最佳的应力消除与抑 制方法。2 0 0 4 年胡少虬、张辉【5 2 】等人利用a n s y s 软件对不同淬火水温下的7 0 7 5 铝合金厚板的淬火温度场和应力场进行了数值模拟。2 0 0 4 年柯映林、董辉跃【5 3 j 数 值模拟分析了不同预拉伸量对7 0 7 5 铝合金厚板淬火残余应力的消除效果。同时辜 蕾钢、汪凌云 5 4 等人数值模拟了2 0 2 4 铝合金厚板的拉伸过程，在分析应力应变分 布规律的基础上对锯切区进行了预估。2 0 0 5 年王桂伟、方洪渊【55 j 等人对7 8 0 4 铝 合金厚板生产过程中淬火、压光、拉伸过程应力场的变化和分布情况进行了数值 模拟分析，以优化铝合金厚板生产过程。2 0 0 7 年王秋成【56 j 等人利用数值模拟技术 对7 a 0 4 铝合金构件冷水淬火、液氮深冷以及上坡淬火的瞬态温度场进行了仿真研 究。同时姚灿阳，吴运新【57 等人通过对7 0 7 5 铝合金厚板淬火过程的多组数值模拟， 研究了不同换热换热系数对工件冷却速度的影响。2 0 0 8 年张园园、吴运新【58 等人 数值模拟了不同预拉伸量和不同拉伸速度对7 0 7 5 铝合金板材淬火残余应力消除效 果的影响并计算了钳1 5 1 夹持区域的锯切量。2 0 0 9 年龚海 59 等人对7 0 7 5 铝合金厚 板的拉伸过程进行了数值模拟，获得拉伸后板材内部的残余应力分布规律，分析了 重庆人学硕士学位论文 1绪论 预拉伸量对残余应力演变的影响。同时吴运新 6 0 等人运用ma r c 有限元软件对厚 板预拉仲过程进行数值模拟分析，获得厚板沿厚度方向的残余应力分布，并结合 实验阐述了预拉伸过程中横向应力削减现象，论述了横向残余应力演变的机理。 2 0 10 年许晓静，韦宝存 6 l 】等人通过对7 0 8 5 铝合金板材淬火过程的数值模拟研究了 铝合金板材尺寸、淬火介质温度对温度场、应力场和残余应力的影响。同时朱才 朝 7 - 1 1 】等人引入铝合金的高温流变应力特性，采用热力全耦合的数值模拟方法仿真 了7 0 7 5 铝合金板材的淬火过程，并进行了实验验证，提高了铝合金淬火过程数值 模拟的精确度。2 0 1 0 年廖凯、吴运新 6 2 等人以7 0 7 5 铝合金厚板为研究对象，结合 实验和数值模拟技术，揭示了预拉伸过程中铝合金厚板非均匀区、夹持区和过渡 区应力场的演变机理和规律。 虽然以上研究取得了一系列的成果，但数值模拟技术中国还存在不少难题， 首先数值模拟的准确性，首先决定丁数学模型的正确性，这需要大量的实验研究 做基础；其次是各物性参数的准确性；最后还要有可靠的算法。此外数值模拟中 还存在这几个不容易模拟的难题： 热力学边界条件的热交换问题 在各种加工工艺中，l v , 7 1 h ，焊接、锻压、铸造，特别是各种热处理工艺，如 何保证数值模拟时材料与周围介质热交换更逼近实际是不容易做到的，只能近似。 最典型的是材料淬火的快速冷却，更不容易做到。 力学计算涉及的本构关系问题 要计算残余应力就必须知道材料的本构关系，即应力应变关系。然而，材料 的弹性应力应变关系容易确定，但材料在上千度高温时，要精确确定它的热塑性 应力应变关系就非常困难，且这种应力应变关系是随温度变化的，要确定不同温 度下的热塑性应力应变关系就更难。 材料金属学的相变问题 残余应力数值模拟中，热力耦合迭代，材料要经过相变区，材料中每一温度 每一部分要引进多少相变变形，是个难题。 上述难题决定了对残余应力的数值模拟只能是定性的，热力学边界条件、材 料本构关系和相变变形与实际情况的不符不可能模拟出精确的残余应力值。 1 3 论文的研究内容 针对7 0 7 5 铝合金在淬火后产生很大的残余应力，致使在后续的机械加工过程 中，由于残余应力的释放，导致零件形状与尺寸的不稳定性，降低了材料的使用 性能等一系列问题，论文对国内铝合金板材生产过程中存在的难题，以7 0 7 5 铝合 金板材为研究对象，对铝合金板材的淬火残余应力和最佳拉伸率进行有限元数值 重庆人学硕士学位论文 1绪论 模拟和实验研究，为铝合金板材的拉伸工艺参数提供数据参考。 论文的主要研究内容有： 考虑7 0 7 5 铝合金在高温下的材料属性，采用准耦合法对7 0 7 5 铝合金板淬 火过程进行了数值模拟，对铝合金板淬火过程中温度场的变化规律、应力场的产 生及转变原因、淬火完毕后板材残余应力场的大小及分布特征进行了研究，为后 面消除残余应力的研究提供理论支持。 分析机械拉伸法消除铝合金板材淬火残余应力的机理，建立7 0 7 5 铝合金 板材的预拉伸过程的有限元分析模型，研究铝合金板拉伸后残余应力的大小及分 布特征，对采用不同拉伸率拉伸后的残余应力消除效果进行对比分析，优化7 0 7 5 铝合金板材的拉伸率。 7 0 7 5 铝合金板材淬火残余应力和拉伸后残余应力的实验测试研究，对7 0 7 5 铝合金小试件进行淬火和拉伸作业，采用钻孔法测量淬火后和拉伸后的残余应力， 和有限元模拟结果进行对比对比分析，验证数值模拟模型的准确性。 论文具体技术方案如图1 2 所示。 图1 2 技术路线流程图 f i g u r e l 2f l o wc h a r to f t e c h n i c a lr o u t e 重庆大学硕十学位论文 27 0 7 5 铝合金板淬火残余应力数值模拟 27 0 7 5 铝合金板淬火过程数值模拟 2 1 引言 7 0 7 5 铝合金是一种a 1 一z n m g c u 系可热处理强化的高强度变形铝合金，是航 空工业中广泛使用的高强度铝合金。7 0 7 5 铝合金化学成分如表2 1 所示： 表2 17 0 7 5 铝合金的化学成分( 表中数值为各成分所占的百分比) t a b l e2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y 7 0 7 5 铝合金经过淬火时效后强度有很大的提高，广泛应用于航空、航天等重 要领域中。同时铝合金在淬火过程中也将产生较大的残余应力，使工件在后续机 械加工时出现变形、甚至翘曲，尤其是对于厚板容易出现明显的淬火残余应力， 严重影响其应用。经过热处理过的铝合金板材，通常内部都是处于一种应力的不 稳定动态平衡状态。一旦外界条件变化而破坏了这种内应力的动态平衡而引起残 余应力的释放，板材就会出现翘曲等变形问题。根本原因就在于：机械加工破坏 了淬火残余应力的初始平衡状态。 因此为了研究构件中热处理残余应力和变形及其控制方法，我们有必要对 7 0 7 5 铝合金板淬火过程中的残余应力的产生和分布进行系统的研究和测定，使其 强度和韧性得到较大提高，提高构件的使用性能。 基于计算机的热处理过程模拟技术是一门融合热力学、相变动力学及弹塑性 力学的复杂技术，其通过对温度场、应立场、组织场的耦合求解，研究工艺参数 对各场量的影响规律。 常用的淬火模拟方法主要有两种，全耦合模拟和准耦合模拟。准耦合模拟法 一般只考虑热对应力的影响，不考虑潜热以及组织应力的影响。全耦合模拟综合 了组织转变、相变塑性和相变应力，考虑了组织转变过程中产生的塑性变形、热 应力的存在对组织转变的影响、组织转变过程中产生的潜热对热应力的影响等多 种因素的作用。因为数值模拟很大程度上依赖于对材料的物性参数等数据的精准 度上，并需要较好的数学模型，因此考虑目前国内外对铝合金材料数值模拟的现 有水平，加上铝合金淬火过程中不存在相变等因素，所以本论文中采用准耦合法 重庆大学硕十学位论文 27 0 7 5 铝合金板淬火残余应力数值模拟 进行模拟。 2 2 淬火过程数值模拟的基本理论 2 2 1 淬火温度场计算的数学模型 淬火温度场的计算实质是热传导问题，热传导分析根据温度和时问的关系可 以分为稳态传热( s t e a d y h e a tt r a n s f e r ) 分析和瞬态传热( t r a n s i e n th e a tt r a n s f e r ) 分析 两种类型 6 3 1 。 对于稳态传热问题温度不随时间变化而变化，即 竺：0 ( 2 1 1 西 对于瞬态传热问题，单元的温度场将随时间变化而变化，即 t 8 ( x ，y ，z ) = n ( x ，y ，z ) q r ( t ) ( 2 2 ) 实际淬火热过程中，构件温度在短时间内发生剧烈变化，传热属于瞬态热传 导问题。瞬态热传导求解温度的数学方程为： p c - 订e = 去卜罢 + 茜卜等 + - g a z ( k z 豢 + q c 2 司 2 瓦卜瓦j + 瓦卜瓦j + lij 卅 ( 2 3 ) 式中： p 材料的密度； c 材料的比热； 丁温度； t 时间； q 相变潜热； k 。、k ，、尼：材料x 、y 、z 三个方向上的热传导系数。 铝合金材料一般视为各向同性材料，则三个方向上的热传导系相同，式( 2 3 ) 可写为： 堡k 鲁= 窑c 3 x + 窘+ 等+ 垒k ( 2 4 ) 8 t 。 如。8 z 。 、 求解方程( 2 4 ) 还需要初始条件与边界条件，传热问题的初始条件一般为工件 的初始温度场，即： 孔：o = r o ( 2 5 ) 瞬态传热问题的边界条件一般有三类： 第一类边界条件： t ( x ，y ，z ，t ) = t ( t )( 2 6 ) 第二类边界条件，指物体表面的热流密度为已知，表示为： 一尼竽：q o ( z ，y ，z ，f )( 2 7 ) 重庆大学硕士学位论文27 0 7 5 铝合金板淬火残余应力数值模拟 式中 g 。( x ，y ，z ，f ) 已知的热流密度函数； n 物体表面的外法线。 第三类边界条件，指物体表面与淬火介质之间的对流换热系数以及淬火介质 温度为已知，表示为： 一尼罢；：五( 瓦一t ) ( 2 8 ) a n 式中 h 淬火上件与淬火介质之间的对流换热系数； f ，淬火工件表面温度； r ，淬火介质温度。 由于淬火时工件表面与周围的换热系数更便于通过实验测得且有据可查，因 此采用第三类边界条件，即边界条件采用式( 2 8 ) 表达。 2 2 2 淬火应力场计算的数学模型 由前面分析所得的温度