淬火中残余应力的预测和机加工对残余应力的减少.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流淬火中残余应力的预测和机加工对残余应力的减少.精品文档. Journa lof Materials Processing Technology 1 74 (2006) 342354 淬火中残余应力的预测和 冷加工对残余应力的减少摘 要 铝合金淬火后，开发残余应力会导致后续机加工中失真。结果会是，机加工零件可能会失去忍受性和不得不冷加工或是重新加工。残余应力的测量实验是漫长的、乏味的、和非常昂贵的，例如中子X射线衍射技术的最新发展。所以，在这项研究中，Al7050锻造块淬火以后，使用数量方法区预测残余应力，而且比较预测结果和实验结果。结果表明了

2、预测值与实验结果有很好的一致性，最坏的情况下，偏差也只有10-15%。两种不同的冷加工（压缩和拉伸）方法常常被用来减少残余应力。结果比较好显示了，压缩和拉伸工艺减少的残余应力有90%之多。可是单击压缩铝合金方法减少残余应力比其别低水平的方法更加有效和经济。也研究了弹性模的影响效果。模具偏转被发现对减少残余应力的量从90%降到70%左右。 1. 简介当外部力释放时，残余应力是存在于零件内部的应力系统。它的影响因素很多，如热处理【15】、变形过程、【67】、机加工【8】、焊接/加入【9】或者上面方面的组合，这样就改变着材料的形状和改善着材料的特性。当零件部件发生不均匀的塑性变形或暴露在如铸造、温暖

3、成型、焊接和淬火过程中的不均匀温度下，会产生残余应力。一般来说，残余应力信号同有塑性应变产生的残余应力信号是相反的。如冷轧薄板，在其表面形成了由冷轧在纵向方向拉长的高压应力的残余应力。去除外力后，留下了表面的压应力和薄板中心区的拉应力。重要性和相关性的测量，残余应力的预测和控制是基于它们对机加工产品的影响研究的。通过极快的减少疲劳强度，残余应力可能导致过早的实效，导致应力腐蚀或氢裂，并导致失真和微变形。另一方面，压缩残余应力可能提高组件的疲劳寿命、应力腐蚀、抗氢裂性【1013】。所以研究调查和理解残余应力测量，它的预测和较少对于提高许多机加工零件的质量和可靠性是非常重要的。残余应力不能被直接测

4、量【9、11、14】。通过残余宏观和微观应力导致的塑性应变的测量。实践中使用的一些测量方法是：（a）超声波方法。她是基于这样一个事实，当晶体材料放在压力下，超声波速度改变了。使用合适的仪器和技术，可以测量其速度的改变。（b）使用的机械方法比其别方法使用的时间更长。有不同的方法可以达到效果，它们大多数是由去除应力材料和测量应力量的变化组成。在实际应用中最流行的技术是钻孔方法【14、15】。其别的机械方法是一出表面曾层方法和偏转方法【2、14】。（c）X射线衍射方法：当金属或陶瓷多晶材料放在压力之下，在每个材料单粒中都有塑性应变产生。应力外涂或残留在材料中，只要它是在流动应力之下，他就会被内部原子

5、应变占去。X射线衍射技术能测量处内部原子间距，也就是样本宏观应变特性【11、14、16】。既然中子比X射线更加有渗透性，它们也能被使用【7、14、16、17】。残余应力的消除能通过压缩和伸展的机械方法达到，也能如回火的热处理方法达到【3、1821】。，也有非传统方法如脉冲磁处理【22】。基于生产和实验结果，伸展是所知的最有效的消除残余应力的方法。可是，对于非矩形和非对称零件，拉伸是不实际的，因为处理问题和非对称载荷的原因，压缩工艺经常是首选的。应用的设备，可能性德多少和成本因素决定着消除残余应力方法的选择。压缩仅适用于简单形状和平行面零件的使用。此外，工件的厚度不得不小于最大允许热处理界面的厚

6、度。既然残余应力的实验测量是非常冗长、乏味和昂贵的，所以分析或数值方法对残余应力的预测被广泛研究。由于有限元分析方法FEA的多功能性、准确性和高效率性，它被发现是可行的和低成本的，代替了其别的试验方法【7、13、24、25】。这篇文章的第一部分，有限元比利用中子衍射实验测量方法在淬火铝块中对残余应力的预测更有合理精确性。第二部分，使用有限元方法消除车间中残余应力消除中的成本和冗长，分析和改善应力消除工艺是相当复杂的。最后，提出了压缩中消除残余应力上模具或工具弹性的影响。2. 淬火有限元分析淬火是一种热处理方法，一个热金属零件放在水、油或其他液体，或他们的组合中，被迅速地冷却【35、26】。使用

7、有限元时铝件淬火工业的分析已经被很早的研究【7、13、24、27】。预测结果表明它同由表面移除方法测得的的残余应力的实验数据有很好的吻合。淬火条件在残余应力上有主要的影响。例如在冷水上得发生的铝淬火对残余应力的影响比热水上发生的铝淬火要高50%【24、26、28】。2.1. 淬火工艺条件在这项研究中，对于淬火和随后的拉伸和压缩工艺过程，进行了有限元分析。对于淬火工艺，波音公司及其供应商提供的报告文件中的实验给出了有限元条件。本文作者不涉及实验和测量，但是提供了报告中一些不能公开的部分。淬火过程中，统一铝块7050合金温度的侵泡在水中，直到铝块温度冷却至的统一温度。所以，温度位移分析要求：（a）

8、确定淬火温度随温度变化的函数（传热分析）。（b）由于温度的变化，估算残余应力（应力分析）。在这项研究中使用两种不同的铝块7050(图1)。第一种情况下 7050铝块（A块）通过由赞助公司采用的种种衍射方法进行的实验测试比较，来验证有限元方法。第二种情况下，分析在铝块（C块）上得残余应力的形成和消除，这种类型的块通常用于锻造和加工制造飞机结构的原料。7050是使用在航空工业上典型的回火铝合金。在我们的分析中，因为材料和物理数据对于铝7050回火铝合金块是不适用的，所以用铝7075来代替。这是一个合理的近似，因为两种合金有相似的成分组成【30、31】。表1显示了淬火工艺条件，表25描述了研究中所使

9、用的材料特性。理想弹塑性淬火工艺的有限元分析使用ABAQUS标准表现。假设在开始的时候，块中物应力，然后块被加热到，这是7050铝合金再结晶温度以上的温度【31】。由于几何形状和边界条件是完全对称的，所以使用1/8的块简化有限元模型是可能的，目的是为了减少CPU模拟时间。用于本研究的块A和C有限元模型显示在图1中。这些数据也显示了飞机上残余应力在X-Y和Z方向上得到测量和报告。2.2 A块的淬火有限元分析结果使用X射线衍射方法测得的实验数据，仅仅适用于块A。所以，通过比较预测的有限元分析结果和实验结果，进行的淬火分析，区证实温度位移有限元的准确性和有效性。从实验测量结果中得到的应力分布不是完全

10、对称的。可能的原因是：（a）块加热前，没有完全的应力释放。（b）测量过程中可能出现偏差。（c）缓慢侵泡的淬火过程，可能产生不均匀和非对称。总体而言，所有2号曲线的分析和实验结果相符，近似偏差14%。实验和2号分析结果之间最大的不同是在范围。淬火从道的室温后冷空气的额外有限元分析不会影响结果超过。所以，在下面的分析中就可以忽略这一因素。图2和6、3表明，淬火以后沿着中间平面X和Y位点分析1和2的XYZ矢量方向上得残余应力。所有这三个情况下，在中心区分布这拉伸对称残余应力和在表面层上油压缩残余应力。沿着X位点的X食量的应力值比其他矢量要低。同实验结果相比的2号分析结果除了Z矢量应力外都非常吻合。这

11、的实验结果比有限元分析结果大约要高出。总之，所有的曲线、1号曲线的分析、2号曲线的分析和实验结果是很好吻合的。图4表明了A块XYZ矢量残余应力的分布，在中间平面分析2号曲线以后。2.3 C块淬火有限元分析结果使用V块进行相似的淬火分析（分析3号）。它同分析2号一样的边界条件和仿真步骤。C块的几何形状也是中间平面使用的有限元模型如图1b所示。图5显示了中间平面XY位点预测XYZ矢量的残余应力。图6显示了中间平面1/4模型中XYZ应力组成的分布。从这些数字观察可知，最大拉应力X和Z残余应力是在中心平面，压应力是在表面。既然C块的横截面不是正方形而是矩形，y位点残余应力比xz位点的要低。在边缘，y位

12、点的残余应力是压应力，而距边缘33mm处则变成拉应力。一个区域到边缘的距离同道顶部和底部层的距离相同的区域（1/2倍厚度的距离=2.5=0.15分数），y应力达到最大值，即边缘效应。对于C块的中间区域，y分量开始下降之零，边缘效应失去它的影响。在这种情况下，在发展中的残余应力对几何形状的主要影响被非常清晰地表现出来。由于该板块的z方向尺寸最大，所以z方向的残余应力总是达到最大值（即较大尺寸，较高的温度梯度，反过来，较高的残余应力）。容易解释沿着y位点的应力分布。在板块中心区域，z尺寸达到最大的拉伸值。X尺寸是相似的但有较低的应力值。以前已经讨论板块中心区域y尺寸最低的应力值。既然从y位点的边缘

13、假设y分量达到零，则沿着整个的y长度上都是零。3. C块压缩工艺消除残余应力进行不变平模和不同墩锻率的压缩是由于淬火导致的减小残余应力。C块形状尺寸和有限元模型如图1b所示。使用平均速度为20mm/s的液压机在全部的分析中。相同压缩比的较高速度（如v=200mm/s）不影响结果。压缩发生在室温下。压缩预定比钢坯以后，移除模具，允许产生残余应力。为了比较压缩结果，在淬火结果使用相同位点和板块（即板块中间位置的位点，如图68所示）。表5列出了有限元分析和压缩工艺条件。在所有这些计算中，假设模具是平坦、不弯曲的。对于最初的调查，假设看起来是合理的。在接下来的部分，考虑与分析模具塑性变形。这部分的摩擦

14、系数下显示了1%、2%和4%墩锻率的结果，为了重现干压条件【32】。表6总结干燥条件下压缩的结果，而表7显示了润滑压缩的情况结果。表7中，x矢量残余应力分布在1%墩锻率（干燥条件）下的中间板，如例子中所示。对于所有的应力矢量分布，1%压缩（5号分析）导致最低和均匀的应力分布（的范围），而另外压缩率（6号和7号分析）导致较高或不均匀的干燥条件下的应力分布。1%压缩以后，有82%的应力较少，较少的值达到的应力范围中（即淬火、拉伸、压缩后使用最大残余应力值估算较少的百分率）。压缩后的高的应力值经常在板块的边缘，随着淬火后底程度应力有相似的趋势。至于在期间发生的形状变化：（a）淬火（b）1%压缩（c）

15、4%在C块上得压缩，1%压缩率不仅仅导致较高和较均匀应力减小，而且有均匀的形状（即更小失真），当4%压缩率情况下相比较。进行的对【810】分析显示了1%、2%和4%墩锻率（摩擦系数【33】下，润滑压缩条件如表7总结的，1%压缩以后（即分析8号），达到底的残余应力减少85%左右，达到范围。另一发面，同干燥条件相反，2%和4%压缩率导致的结果甚至是较高的减少值有93%的残余应力减少到的范围，有一个均匀的应力分布和较小的形状变形。因此。润滑天剑显然由于干燥条件对减小残余应力更有效，应该首先选择。4.拉伸工艺对C块的残余应力的消除 拉伸是最有名的消除残余应力的机械方法【21】。为了达到它，需要一个特殊

16、的取抓机械工具。使用铝7075，拉伸中1.4%塑性变形以后发生有最高达的残余应力90%【20】。使用ABAQUS 标准表现了三种不同拉伸率（1%、2%和3%）的4号有限元分析结果。初始条件。淬火后，对11、12和13的残余应力分析（表8）。由于淬火导致不同拉伸率表现在z方向区减少残余应力。拉伸板块至预期拉伸率，移除外力，允许块能塑性恢复。为了比较淬火拉伸结果和压缩工艺结果采用相同的位点和板块数据。假设拉伸工艺是理想条件在板边不固定板的边缘，移除块的一个板。也就是说在一个方向上使用均匀的拉伸应力。既然没有合适的这种工艺的特殊数据，所以不用分析特殊的夹紧过程。表9中总结了1%、2%、3%拉伸率的结

17、果。在图8中，描述了2%拉伸率下x矢量的残余应力分布。拉伸以后残余应力的值是非常低，不同的拉伸率下可看到不同的残余应力分布尺寸。1%拉伸率后（分析11号），达到98%的应力减少在范围。2%拉伸率后(分析12号)这个减少量能增加到范围的99%，随着拉伸率的增加，不均匀的弹性变形也再增加，3%和更高拉伸率将导致较小的残余应力减小。比2%拉伸率有较高的应力分布。沿着x位点的y矢量残余应力，同x矢量值是相似的，2%拉伸率得到了最低和最均匀的应力分布。1%拉伸率有98%的应力减少，即z矢量应力预示的范围。2%拉伸率后，z矢量残余应力减少到一个完全的范围，即减少99%。再次较高拉伸比率，不均匀塑性变形增加

18、，即2%拉伸率更高的应力分布。考虑沿y位点预测的残余应力，2%拉伸率较少残余应力因为淬火99100%。与以前一样1%拉伸率不能和2%拉伸率减少残余应力一样，3%拉伸率增加的残余应力比2%拉伸率最坏，因为不均匀的塑性变形。关于期间发生的形状变化（a）淬火（b）2%拉伸率（c）C块上3%拉伸率，z方向上得2%拉伸率导致在x和y方向上均匀统一。除此之外，3%拉伸率在这两个方向上导致不均匀统一，因为不均匀的塑性变形。必须又一次提及，拉伸工艺不包括边缘处的任何处理和固定操作。这些操作可能在这些区域导致不同(或高的)应力。5.比较拉伸和压缩对消除残余应力上得作用如表10总结，显示的所有数字表明干燥条件下1

19、%压缩率减小的残余应力在40%和80%之间。润滑后，压缩工艺能得到很好的改进。润滑条件下，2%压缩率，减少的残余应力在范围比90%好要多，也几乎均匀应力分布。可是，2%拉伸工艺也能得到99%的应力减少，也完全均匀应力分布。图9和图10表明1%干压缩率，2%润滑压缩了（=0.05）和2%拉伸工艺，残余应力的比较。为了找到淬火减少残余应力最佳的工艺方法和缩小率，需要比简单残余应力考虑更多的方面。首先，确定工艺中合适的机械设备必须是可能的。第二，拉伸，工件需要处理，即抓住边缘。第三，零件形状可能不适合一些工艺。例如，不能造成整个零件变形、弯曲和不可接受的扭曲。6.压缩工艺中弹性模型分析和它对减少残余

20、应力的影响压缩过程的所有有限元分析，到目前为止，使用的是钢模和平模。以前研究考虑的是锻造操作模具变形【34】。在这部分只进行的是塑性模的模拟。ABAQU二维码对于淬火工艺压缩工艺得到的可靠结果一样。原因是因为，进行的二维压缩模型显示了使用钢模和使用塑模之间的不同和影响。假设估算了A2工具钢的塑性特性，图11显示了使用1%压缩率残余应力减少中主要的不同，很明显，模具的弹性变形对于整体零件有明显的影响，而且不会集中影响板块的边缘和中间区域，可是，塑性模的影响需要的压缩率没能够达到。为了避免长方形零件和简单形状模具的这些效果，必须增长压缩率来补偿弹性模变形。 7.讨论和总结淬火工艺试验结果和有限元分

21、析的结果的比较说明，只要知道样本的热特性和材料特性，通过有限元残余应力的预测，可能得到合理的精度。相比需要专门和昂贵设备的实验，有限元分析有快速和成本效益的产生。其次，比较块A和块C淬火结果显示，样本形状对残余应力的大小和分布有重要影响。这个项目的结果可以概括如下：1. 与其他测试技术相比，有限元残余应力的预测是可行的、实用的和低成本的。2. 块（或零部件）的形状和尺寸对残余应力发展有深远的影响。3. 块C2%压缩（润滑）和2%拉伸得到了最低的残余应力分布（90%减少量）。然而，对于不同块的形状和尺寸，2%肯恩凝固不是最佳的百分比。对于不同的材料、淬火条件和块的几何形状，决定最佳的拉伸和压缩水

22、平。4. 目前的压缩分析，已经分析了单击压缩工艺。可能也需要做多击压缩工艺的实际过程。对于大型板块，可能不能得到覆盖整个的零件。模具，或者压力没有足够的能力传递这个力，区把大型零件压入到模具中。因此，减少残余应力中为了获得关于首锻的可能性，需要形状首锻分析。5. 目前的拉伸分析，已经分析了理想的拉伸工艺。这个工艺拉伸过程中不包括任何取抓和处理分析。为了在边缘获得关于应力分布的更多详细信息，如果显现的信息是有用的，应该吧它们分别进行分析。6. 由于简单ABAQUS二维压缩的模型，使用一种弹性模，表明有模的偏转对结果有很大的影响，也应该进行更加详细的模拟。另外，如果可能的话，这将有助于使用非平面略显弧形模具的表面，以弥补模具偏转。7. 假设所有计算的钢坯是长方形和平面的。因此在将来的研究中，要分析压缩工艺的不同复杂几何形状。在本项研究中，只考虑铝合金（Al7050）。对于不同的合金应该进行相似的调查研究。在这种情况下，需要更多特殊材料的实验结果。为了这些额外的分析，对于不同几何形状和不同材料使用冷成型工艺获得最基本的减少残余应力的准则。参考文献