2A14鋁合金厚板殘余應(yīng)力表征及消減工藝研究.pdf

1、Al-Cu系鋁合金具有優(yōu)良的綜合性能，廣泛地應(yīng)用于航空航天工業(yè)。為了獲得高的強(qiáng)度，固溶淬火處理是鋁合金重要的熱處理工序，在淬火處理過(guò)程中會(huì)引入很大的殘余應(yīng)力，對(duì)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性、應(yīng)力腐蝕性能、疲勞強(qiáng)度等性能有很大的影響，而且，在后續(xù)的機(jī)加工過(guò)程中會(huì)造成很大的變形，因此，調(diào)控和預(yù)測(cè)鋁合金坯材中的殘余應(yīng)力，對(duì)提高構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性等性能具有重要的意義。
　　本文分別基于裂紋柔度法和輪廓法建立了鋁合金厚板殘余應(yīng)力表征方法，結(jié)合有限元模擬分

2、析了引發(fā)測(cè)試誤差的因素并進(jìn)行了修正；確定了插值函數(shù)類型及階數(shù)選取準(zhǔn)則。分析表明，當(dāng)裂紋柔度法和輪廓法應(yīng)用于大尺寸板材的殘余應(yīng)力測(cè)試時(shí)，取樣的長(zhǎng)寬尺寸應(yīng)大于2.5倍的厚度才能較好地保持大尺寸板材的殘余應(yīng)力狀態(tài)。分別采用裂紋柔度法與輪廓法對(duì)2A14鋁合金板材的淬火殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，并與XRD、超聲波殘余應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比。對(duì)比表明，兩種方法的測(cè)試測(cè)試誤差小于15MPa,證實(shí)了裂紋柔度法與輪廓法的可靠性。根據(jù)淬火殘余應(yīng)力分布的相似性

3、，實(shí)現(xiàn)了基于表層殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的體殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)，建立了2A14鋁合金厚板殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)數(shù)值模型。模型預(yù)測(cè)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最大偏差小于18.2％。
　　研究基于熱壓縮和高溫蠕變實(shí)驗(yàn)，建立了固溶淬火態(tài)2A14鋁合金的高溫變形和蠕變變形的本構(gòu)方程。應(yīng)用DFORM-HT的迭代計(jì)算方法，計(jì)算了三維傳熱情況下2A14鋁合金與換熱介質(zhì)的換熱系數(shù)。將高溫變形本構(gòu)方程、蠕變本構(gòu)方程、換熱系數(shù)應(yīng)用到ABAQUS有限元軟件，建立了熱處理過(guò)程中2A

4、14鋁合金殘余應(yīng)力演化模型，實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力的演變過(guò)程的描述，分析各因素對(duì)淬火殘余應(yīng)力消減行為的的影響。分析表明，淬火殘余應(yīng)力隨著淬火速率的降低而降低；時(shí)效過(guò)程中淬火殘余應(yīng)力逐漸下降，在時(shí)效初期下降較快、后期逐漸趨于穩(wěn)定；在反淬火過(guò)程中，隨著高低溫介質(zhì)的溫差和高溫介質(zhì)的換熱系數(shù)的增大，殘余應(yīng)力消減率提高。隨著反淬火循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力消減率逐漸增大；反淬火循環(huán)次數(shù)在3~4次最佳，繼續(xù)增加次數(shù)無(wú)顯著效果。采用XRD和裂紋柔度法測(cè)試了不同

5、熱處理態(tài)的殘余應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的最大偏差在11.2~15.7%內(nèi)，說(shuō)明本文建立的殘余應(yīng)力仿真模型準(zhǔn)確可靠。
　　對(duì)2A14鋁合金板材淬火殘余應(yīng)力的消減工藝進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地表征了不同消減工藝下板材的殘余應(yīng)力、力學(xué)性能、微觀組織以及尺寸穩(wěn)定性。研究表明，淬火冷卻速率對(duì)殘余應(yīng)力有重要的影響，降低淬火速率可使體殘余應(yīng)力明顯降低，但同時(shí)-會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。沸水淬火時(shí)，合金中發(fā)生第二相析出及快速長(zhǎng)大，合金的時(shí)效強(qiáng)化效果降低。與2

6、0℃水淬相比，經(jīng)80℃水淬后，2A14鋁合金板材的淬火殘余應(yīng)力降低73.7%，而強(qiáng)度僅降13%。反淬火和冷熱循環(huán)處理可消除23~40.7%的淬火殘余應(yīng)力，而合金的力學(xué)性能無(wú)明顯變化、微屈服強(qiáng)度有輕微提高。2A14鋁合金的尺寸穩(wěn)定性主要與殘余應(yīng)力的大小有關(guān)，殘余應(yīng)力越低，材料的尺寸穩(wěn)定性越好。
　　建立了2A14鋁合金構(gòu)件構(gòu)件淬火殘余應(yīng)力的模壓消減工藝有限元仿真模型。分析了模壓量、摩擦系數(shù)、模具型面、材料時(shí)效狀態(tài)對(duì)殘余應(yīng)力消減效果的