7075铝合金板材残余应力深度梯度的评估
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
王秋成 1 , 柯映林 1 , 章巧芳2
( 1. 浙江大学 机械与能源学院 , 浙江 杭州 ( 2. 浙江工业大学 机械工程系 , 浙江 杭州 310027) 310014)
Evaluation of Residual Stress Depth Profiling in 7075 Aluminum Al loy Plates WANG Qiu cheng 1 , KE Ying lin1 , ZHANG Qiao fang 2
的残 余应力测试方法 ( 如钻孔法、 X 射线法等 ) 只能测定构 件外表面与 浅表层的残 余应力。为 此 , 引 进一种 被 称为裂纹柔度法的残余应力测试新技术 , 对 7075 铝合金板材 在 T 73, T 7351, T 7352 与 T 7353 状态下的内部残 余应力进行了专门研究与评估。有关研究结果表明 , 这 种残余应 力测试新技 术不仅能 测定 7075 铝 合金板 材 的全厚度残余应力分布及其应力梯度 , 而且比逐 层钻孔法与 X 射线衍射法具有更好的敏感性 和精确度。 关键词 : 铝合金 ; 内部残余应力 ; 应力梯度 ; 裂纹柔度法 ; 评估 ; 测量 中图分类号 : V 252 2; T G146 2 文献标识码 : A Abstract: T he abilit y to accurately evaluate residual stresses will lead to strong er , lighter , long er lasting and cheaper components in aircr aft industry. However, t he common residual stress measurement methods ( e. g . ho le drilling method and X ray diffraction met hod) are o nly useful to measur e the surface or subsurface r esidual stresses. With t his in mind, the current research prog ram is to introduce t he crack compliance method to characterize interio r r esid ual stresses in rolled 7075 aluminum plates procured in T 73, T 7351, T 7352 and T 7353 temper designatio ns. Ex peri mental results rev ealed that this newly proposed met hod can be used to evaluate through thickness r esidual stresses of 7075 aluminum plates. It further sho wed that measured subsurface stresses are mor e sensitive and accurate than t hose obtained by the incr emental hole dr illing metho d or X ray diffractio n method. Key words: aluminum alloy; inter ior r esidual stress; stress g radient; crack compliance met hod; evaluat ion; measur ement
[ 4]
的 7075T 73 铝合金板沿厚度方向残 余应力分布 呈现出 M 型曲线分布特点, 如图 2 所示。从图可 知固溶处理冷水淬火时产生了很大的热应力, 轧 制方向最大压应力达 220MP a, 位于 板厚表面以 下 1/ 4 厚度处。而在偏离中心对称轴 1/ 4 厚度处 的最大拉应力为 170M Pa, 因而 7075T 73 残余应 力的幅值 ( 最大拉应力与最大压 应力之差 ) 约为 390M Pa。实验中还测定了 7075T 73 横向 ( 宽度) 方向的残余应力分布, 结果显示横向 ( 宽度 ) 方向 也同样呈现出 M 型曲线分布特点, 但最大残余应 力值仅为轧制 ( 长度 ) 方向的 60% 左右。 经过拉伸 变形法消 除后的 7075T 7351 合金
aj , s) =
i= 0
! A i C i ( aj , s) =
n
CA
( 2)
式中: j 是裂纹槽口深度为 aj 时所对应的测量次 数。 通常在构件全深度 t 范围内分 m 次测定。 为了 提高测量精度 , 测定次数 m ∀ n + 1。 实验中采用 YZ 22 型静态应变测量仪与 BX350 3AA 应变片, 采用日本 Sodick 公司生产的 A500W E 型数控线 切割机床, 电极丝为 0 3 mm 铜丝。 整个试样浸
quenching ) 法消除应 力, 然后过 时效处 理。上坡 淬火是指将试样浸入液氮 ( - 196 ) 中深冷 , 待内 外温度一致后, 又迅速地取出用高温高压水蒸汽 均匀喷射 , 进行上坡淬火消除应力[ 1] 。 2 测定原理与方法 裂纹柔度法 ( Crack Com pliance Met hod) 最先 由 Cheng W. , Finnie I. 与 Prime M . B. 等人提出, 近些年来 , 在许多工程问题中得到了应用, 显示了 其巨大应用潜力。其测定原理是在被测物体表面 引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力, 从而测定相应的应变、 位移或转角等量值, 用来分 析与计算残余应力。目前在实际测量中 , 假设残 余应力沿长度与宽度方向基本不变, 只沿深度存 在较大应力梯度 , 此时淬火应力可以表达为仅是 深度 z 的函数。 如图 1 所示, 设上表面一个特定点 S( x = s, y = z = 0) 的应变 ( z ) 随裂纹深度 a 的加深而变化 , 则将残余应力分布
第 24 卷 2003 年
第4期 7月
航 空 学 报 ACT A AERONA U T ICA ET A ST RO NAU T ICA SI NICA
Vol 24 N o 4 July 2003
文章编号 : 1000 6893( 2003) 04 0336 03
7075 铝合金板材残余应力深度梯度的评估
x ,y (
T 7351: 固溶处理后, 在室温下沿轧制方向进 行 2. 5% 永久机械拉伸变形消除 应力, 然后过时 效处理; T 7352: 固溶处理后, 在室温下置于一个锻模 内沿厚度方向进行 2. 5% 永久机械压缩变形消除 应力 , 然后过时效处理; T 7353: 固 溶处 理 后, 进 行 上 坡淬 火 ( uphill
x , y(
( 4)
裂纹柔度法的测量误差主要有原理误差、 测 量与计算误差及线切割加工引起的误差等 3 类, 本实验结果的处理中仅考虑了应变测量与有限元 法计算误差。为了说明其测定结果的有效性与精 确性, 同时采用逐层钻孔法与 X 射线衍射法, 测 定了 7075T 73 铝合金板材的表层 ( subsurf ace) 残 余应力值与深度梯度 , 并分析与比较了 3 种测 定方法的测定结果 , 本文网址详例了有关测定原 理与试验参数。 3 实验结果与讨论 ( 1) 全厚度残余应力分布 裂纹柔度法测定
收稿日期 : 2002 08 22; 修订日期 : 2002 12 31 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50175102) ; 国防型号工程配 套项目 ( 00- 1810- 0785) 文章网址 : ht t p: / / w w w . hkxb. n et. cn/ hkxb/ 2003/ 04/ 0336/
z ) 表达
第4期
王秋成等 : 7075 铝合金板材残余应力深度梯度的评估
337
入去离子水中进行浸渍式加工 , 尽量减少线切割 加工中产生的切割残余应力与切割热的影响。 在 慢走丝方式切割过程中 , 槽口深度每增加 2 m m 时记录一次应变仪的读数。 在计算未知系数 A i 时 , 为了减少计算误差, 根据上述有限元法计算得到的柔度函数与实验中 测定的 m 次应变片读数 , 采用最小二乘法来拟 合[ 2, 3 ] 。 此时存在
图1 Fig 1 裂纹柔度法中应变的测定
[ 2, 3]
Ai j = 1
!
m
( aj , s ) -
k= 0
! A k C k ( aj , s)
n
2源自文库
= 0 ( 3)
M easurement of st rains by crack compliance met hod
为一个级数展开式
x, y (
i = 0, 1, 2, #, n
1 实验试样 本实验有关试样直接取自美国 ALCOA 公司 生产的 7075 铝合金板材, 从 40mm 厚度的板材中 间切割尺 寸为 300m m 150mm 40mm 的 4 组 试样 , 每组 3 件。其相应工艺流程分别为: T 73: 固溶处理后, 采用 15 过时效处理( over aged) ; 冷水淬火, 然后
z) =
i= 0
! A iP i ( z )
n
( 1)
通过求解上述 n + 1 个方程, 可以得到方程( 1) 中 的系数 A i , 即 A = ( CT C ) - 1 C T {
measured }
式中: A i 为待确定的系数; P i ( z ) 是插值函数, 可 以是指数多项式、 拉格朗日多项式、 傅立叶级数等 函数。 在本研究中, 选用 3 ~ 9 阶拉格朗日多项式 作为插值函数。 为了 确 定上 述 对 应 于 残 余 应力 分 布 函 数 P i ( z ) 的待定系数 A i 的值, 首先需要计算应变片 所在点 S ( x = s , y = z = 0) 处的应变值随裂纹 深度 aj 变化的响应值 Cj ( aj , s) , 这些量值 Cj ( aj , s ) 被称之为柔度函数 [ 2 , 3 ] 。 柔度函数可以基于线 弹性断裂力 学的原理来确定, 在本 实验中, 采用 ABAQU S6 2 有限元软件来分析计算。根据试样 的对称性, 仅需以线切割的槽缝为对称轴将半个 试样 进 行 网 格 化 , 采 用 8 节 点 平 面 应 变 单 元 CPE8, 网格间距为 1 mm , 7075 铝合金材料弹性 模量取 71GPa, 帕松比 0 33。通过逐渐地去除切 割平面上的位移边界条件来模拟连续切割过程。 F EM 模型中将实际的线切割直槽 ( 约 0 47 mm) 近似简化为一条裂缝 , 有关研究结果指出, 当槽深 与槽宽之比大于 5 时 , 这种近似化处理引起的测 量误差很小[ 3] 。而表面 残余应力值可 以通过上 述全厚度应力向外插值进行计算。 一旦 C j ( aj , s) 的解求得以后 , 可以建立有关 应变片粘贴点的应变测定值与柔度函数之间的关 系式
( 1. College of M echanical and Energ y Engineer ing , Zhejiang U niversity, Hang zhou 310027, China) ( 2. Department of M echanical Engineer ing , Zhejiang University of T echnology, Hangzhou 310014, China) 摘 要 : 提高航空结构件残余应力的测试精度 , 意味着可提高其安全可靠性 , 减轻重量及降低成本 , 然而 现有
试样 , 无论轧制方向与宽度方向, 残余应力沿深度 分布与应力消除前相似, 仍呈 M 型曲线分布的特 点。这种分布型式的相似性可归结于固溶处理时 的芯部材料溶质贫化与表层材料的溶质富集, 及 沿厚度 方向的机械性 能差异所致 [ 5] 。如 图 3 所 示, 在板厚中心处有一个马鞍型局部最小域 , 最大 拉应力 ( 约 19M Pa) 在偏离中心 1/ 4 厚度处 , 而相
( 1. 浙江大学 机械与能源学院 , 浙江 杭州 ( 2. 浙江工业大学 机械工程系 , 浙江 杭州 310027) 310014)
Evaluation of Residual Stress Depth Profiling in 7075 Aluminum Al loy Plates WANG Qiu cheng 1 , KE Ying lin1 , ZHANG Qiao fang 2
的残 余应力测试方法 ( 如钻孔法、 X 射线法等 ) 只能测定构 件外表面与 浅表层的残 余应力。为 此 , 引 进一种 被 称为裂纹柔度法的残余应力测试新技术 , 对 7075 铝合金板材 在 T 73, T 7351, T 7352 与 T 7353 状态下的内部残 余应力进行了专门研究与评估。有关研究结果表明 , 这 种残余应 力测试新技 术不仅能 测定 7075 铝 合金板 材 的全厚度残余应力分布及其应力梯度 , 而且比逐 层钻孔法与 X 射线衍射法具有更好的敏感性 和精确度。 关键词 : 铝合金 ; 内部残余应力 ; 应力梯度 ; 裂纹柔度法 ; 评估 ; 测量 中图分类号 : V 252 2; T G146 2 文献标识码 : A Abstract: T he abilit y to accurately evaluate residual stresses will lead to strong er , lighter , long er lasting and cheaper components in aircr aft industry. However, t he common residual stress measurement methods ( e. g . ho le drilling method and X ray diffraction met hod) are o nly useful to measur e the surface or subsurface r esidual stresses. With t his in mind, the current research prog ram is to introduce t he crack compliance method to characterize interio r r esid ual stresses in rolled 7075 aluminum plates procured in T 73, T 7351, T 7352 and T 7353 temper designatio ns. Ex peri mental results rev ealed that this newly proposed met hod can be used to evaluate through thickness r esidual stresses of 7075 aluminum plates. It further sho wed that measured subsurface stresses are mor e sensitive and accurate than t hose obtained by the incr emental hole dr illing metho d or X ray diffractio n method. Key words: aluminum alloy; inter ior r esidual stress; stress g radient; crack compliance met hod; evaluat ion; measur ement
[ 4]
的 7075T 73 铝合金板沿厚度方向残 余应力分布 呈现出 M 型曲线分布特点, 如图 2 所示。从图可 知固溶处理冷水淬火时产生了很大的热应力, 轧 制方向最大压应力达 220MP a, 位于 板厚表面以 下 1/ 4 厚度处。而在偏离中心对称轴 1/ 4 厚度处 的最大拉应力为 170M Pa, 因而 7075T 73 残余应 力的幅值 ( 最大拉应力与最大压 应力之差 ) 约为 390M Pa。实验中还测定了 7075T 73 横向 ( 宽度) 方向的残余应力分布, 结果显示横向 ( 宽度 ) 方向 也同样呈现出 M 型曲线分布特点, 但最大残余应 力值仅为轧制 ( 长度 ) 方向的 60% 左右。 经过拉伸 变形法消 除后的 7075T 7351 合金
aj , s) =
i= 0
! A i C i ( aj , s) =
n
CA
( 2)
式中: j 是裂纹槽口深度为 aj 时所对应的测量次 数。 通常在构件全深度 t 范围内分 m 次测定。 为了 提高测量精度 , 测定次数 m ∀ n + 1。 实验中采用 YZ 22 型静态应变测量仪与 BX350 3AA 应变片, 采用日本 Sodick 公司生产的 A500W E 型数控线 切割机床, 电极丝为 0 3 mm 铜丝。 整个试样浸
quenching ) 法消除应 力, 然后过 时效处 理。上坡 淬火是指将试样浸入液氮 ( - 196 ) 中深冷 , 待内 外温度一致后, 又迅速地取出用高温高压水蒸汽 均匀喷射 , 进行上坡淬火消除应力[ 1] 。 2 测定原理与方法 裂纹柔度法 ( Crack Com pliance Met hod) 最先 由 Cheng W. , Finnie I. 与 Prime M . B. 等人提出, 近些年来 , 在许多工程问题中得到了应用, 显示了 其巨大应用潜力。其测定原理是在被测物体表面 引入一条深度逐渐增加的裂纹来释放残余应力, 从而测定相应的应变、 位移或转角等量值, 用来分 析与计算残余应力。目前在实际测量中 , 假设残 余应力沿长度与宽度方向基本不变, 只沿深度存 在较大应力梯度 , 此时淬火应力可以表达为仅是 深度 z 的函数。 如图 1 所示, 设上表面一个特定点 S( x = s, y = z = 0) 的应变 ( z ) 随裂纹深度 a 的加深而变化 , 则将残余应力分布
第 24 卷 2003 年
第4期 7月
航 空 学 报 ACT A AERONA U T ICA ET A ST RO NAU T ICA SI NICA
Vol 24 N o 4 July 2003
文章编号 : 1000 6893( 2003) 04 0336 03
7075 铝合金板材残余应力深度梯度的评估
x ,y (
T 7351: 固溶处理后, 在室温下沿轧制方向进 行 2. 5% 永久机械拉伸变形消除 应力, 然后过时 效处理; T 7352: 固溶处理后, 在室温下置于一个锻模 内沿厚度方向进行 2. 5% 永久机械压缩变形消除 应力 , 然后过时效处理; T 7353: 固 溶处 理 后, 进 行 上 坡淬 火 ( uphill
x , y(
( 4)
裂纹柔度法的测量误差主要有原理误差、 测 量与计算误差及线切割加工引起的误差等 3 类, 本实验结果的处理中仅考虑了应变测量与有限元 法计算误差。为了说明其测定结果的有效性与精 确性, 同时采用逐层钻孔法与 X 射线衍射法, 测 定了 7075T 73 铝合金板材的表层 ( subsurf ace) 残 余应力值与深度梯度 , 并分析与比较了 3 种测 定方法的测定结果 , 本文网址详例了有关测定原 理与试验参数。 3 实验结果与讨论 ( 1) 全厚度残余应力分布 裂纹柔度法测定
收稿日期 : 2002 08 22; 修订日期 : 2002 12 31 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50175102) ; 国防型号工程配 套项目 ( 00- 1810- 0785) 文章网址 : ht t p: / / w w w . hkxb. n et. cn/ hkxb/ 2003/ 04/ 0336/
z ) 表达
第4期
王秋成等 : 7075 铝合金板材残余应力深度梯度的评估
337
入去离子水中进行浸渍式加工 , 尽量减少线切割 加工中产生的切割残余应力与切割热的影响。 在 慢走丝方式切割过程中 , 槽口深度每增加 2 m m 时记录一次应变仪的读数。 在计算未知系数 A i 时 , 为了减少计算误差, 根据上述有限元法计算得到的柔度函数与实验中 测定的 m 次应变片读数 , 采用最小二乘法来拟 合[ 2, 3 ] 。 此时存在
图1 Fig 1 裂纹柔度法中应变的测定
[ 2, 3]
Ai j = 1
!
m
( aj , s ) -
k= 0
! A k C k ( aj , s)
n
2源自文库
= 0 ( 3)
M easurement of st rains by crack compliance met hod
为一个级数展开式
x, y (
i = 0, 1, 2, #, n
1 实验试样 本实验有关试样直接取自美国 ALCOA 公司 生产的 7075 铝合金板材, 从 40mm 厚度的板材中 间切割尺 寸为 300m m 150mm 40mm 的 4 组 试样 , 每组 3 件。其相应工艺流程分别为: T 73: 固溶处理后, 采用 15 过时效处理( over aged) ; 冷水淬火, 然后
z) =
i= 0
! A iP i ( z )
n
( 1)
通过求解上述 n + 1 个方程, 可以得到方程( 1) 中 的系数 A i , 即 A = ( CT C ) - 1 C T {
measured }
式中: A i 为待确定的系数; P i ( z ) 是插值函数, 可 以是指数多项式、 拉格朗日多项式、 傅立叶级数等 函数。 在本研究中, 选用 3 ~ 9 阶拉格朗日多项式 作为插值函数。 为了 确 定上 述 对 应 于 残 余 应力 分 布 函 数 P i ( z ) 的待定系数 A i 的值, 首先需要计算应变片 所在点 S ( x = s , y = z = 0) 处的应变值随裂纹 深度 aj 变化的响应值 Cj ( aj , s) , 这些量值 Cj ( aj , s ) 被称之为柔度函数 [ 2 , 3 ] 。 柔度函数可以基于线 弹性断裂力 学的原理来确定, 在本 实验中, 采用 ABAQU S6 2 有限元软件来分析计算。根据试样 的对称性, 仅需以线切割的槽缝为对称轴将半个 试样 进 行 网 格 化 , 采 用 8 节 点 平 面 应 变 单 元 CPE8, 网格间距为 1 mm , 7075 铝合金材料弹性 模量取 71GPa, 帕松比 0 33。通过逐渐地去除切 割平面上的位移边界条件来模拟连续切割过程。 F EM 模型中将实际的线切割直槽 ( 约 0 47 mm) 近似简化为一条裂缝 , 有关研究结果指出, 当槽深 与槽宽之比大于 5 时 , 这种近似化处理引起的测 量误差很小[ 3] 。而表面 残余应力值可 以通过上 述全厚度应力向外插值进行计算。 一旦 C j ( aj , s) 的解求得以后 , 可以建立有关 应变片粘贴点的应变测定值与柔度函数之间的关 系式
( 1. College of M echanical and Energ y Engineer ing , Zhejiang U niversity, Hang zhou 310027, China) ( 2. Department of M echanical Engineer ing , Zhejiang University of T echnology, Hangzhou 310014, China) 摘 要 : 提高航空结构件残余应力的测试精度 , 意味着可提高其安全可靠性 , 减轻重量及降低成本 , 然而 现有
试样 , 无论轧制方向与宽度方向, 残余应力沿深度 分布与应力消除前相似, 仍呈 M 型曲线分布的特 点。这种分布型式的相似性可归结于固溶处理时 的芯部材料溶质贫化与表层材料的溶质富集, 及 沿厚度 方向的机械性 能差异所致 [ 5] 。如 图 3 所 示, 在板厚中心处有一个马鞍型局部最小域 , 最大 拉应力 ( 约 19M Pa) 在偏离中心 1/ 4 厚度处 , 而相