残余应力和初始变形对7B04-T651铝板的蠕变时效成形回弹预测的影响外文翻译资料

 2022-09-14 19:54:55

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残余应力和初始变形对7B04-T651铝板的蠕变时效成形回弹预测的影响

[摘要]

实验研究发现，在加工表面为3–8 mm的7B04-T651铝片的回弹行为中，一个单一的曲率弯曲半径为1200mm时会形成蠕变时效。实验测得钢板的表面残余应力水平和对典型的残余应力分布后，并且对7000系列值的铝合金研究的进展进行了综述和分析。有限元模型被发展用来模拟蠕变时效成形（CAF）过程和预测物理CAF测试的回弹量。而且有限元模型也被认为可以在机械加工引起的残余应力和变形的测量中得到运用。本文首次尝试研究7000系列铝合金面板在蠕变时效成形回弹预测中零件加工误差引起的残余应力的影响。已经发现，机加工所引起的残余应力对回弹预测精度的影响与蠕变时效成形的初始加载应力值有关。此外，当初始变形符合加载曲率时，观察到对材料的变形是相反的作用。

[关键词]

蠕变时效成形；加工残余应力；初始变形；铝合金板；回弹预测误差

1.介绍

蠕变时效成形(CAF)是指一个铝合金组件热处理和成形同时进行的过程。蠕变时效成形期间，由于蠕变时效引起微观结构和力学性能的变化使材料的内部应力变小。与传统成形技术相比，蠕变时效成形有许多优点，例如成形大型整体加筋板，并且发现蠕变时效成形现有的应用程序可以生产飞机机翼面板和运载火箭的格栅结构。

在蠕变时效成形中，蠕变时效热循环的温度-时间组合没有认为是成形的目的，而是为了得到所形成的组件所需的机械性能。其结果是，所装载的部件内部应力不能充分卸载并且过程中回弹是不可避免的。为了产生精确形状的部件并且可以满足蠕变时效成形给定的强度要求，在蠕变时效成形中，灵活的工具与回弹补偿集成建模技术之间的合作已经被广泛应用。

蠕变时效成形能准确的进行回弹建模需要该合金在蠕变时效响应控制之前整个组件的应力状态被立即卸载。不同于传统的蠕变，初级蠕变阶段是蠕变时效成形最重要的阶段，在此期间，蠕变速率与正在进行的老化反应骤降。为了使蠕变时效成形这种独特的材料特性被捕获，早期的研究已经由lsquo;胡rsquo;等人尝试过。他们制定了一套7000系列铝合金蠕变时效行为的建模方程。该模型能够使蠕变变形得以预测，从而知道时效硬化、位错硬化和固溶硬化对析出半径生长和屈服强度的贡献。lsquo;詹rsquo;等人开发一个更先进的材料模型，进一步介绍了正常化沉淀大小的概念,并在正常位错密度以及其他重要的方面有了长足的进步。这两种模型都是以物理实例为基础，统一的蠕变时效为本构方程，可以实现蠕变失效成形中有限元动力学过程模型的建立和回弹的预测。

在蠕变失效期间除了合金的变形和硬化反应外，金属板在热成形条件下的回弹也对其各种工艺参数有影响。影响最大的是摩擦条件、热引起的弯曲和工具的设计。利用有限元方法进一步介绍了数值格式、网格密度、元素类型和通过壳单元的厚度积分数等

作为大型航空航天翼片部件，额外的材料会在进行蠕变时效成形之前经过机械加工除去。机械加工操作将会造成部件几何畸变并产生较高的表面残余应力，在机械加工技术方面这已被广泛的研究，但在蠕变时效成形的回弹预测中这种情况没有被考虑。加工板通常在不同的部位厚度不同，比如，同一组件内一块飞行器机翼蒙皮面板的厚度可以在不足5mm到超过30mm的范围内变化。因机械加工造成的部分畸变和表面残余应力对用于蠕变时效成形的不同厚度的铝板的影响尚未研究。本论文首次通过实验和有限元分析对这个问题进行了彻底深入的研究。

本论文首先简要分析了机械加工引起的残余应力的起因，主要特征和潜在影响，接着详细展示了一个蠕变时效成形测试程序。进行成型实验的目的是为了能够评估不同厚度的经过表面机械加工处理的铝板的回弹行为。并用有限元分析模型分别建立了考虑机械加工残余应力和初始部分畸变的蠕变时效成形过程模拟以及没考虑上述因素的蠕变失效成形过程模拟。仿真结果已被蠕变时效成形测试结果验证，进一步的模拟和分析以及结论在本文末尾给出。

2.加工7000 -系列铝合金的残余应力

图一显示了一个经过蠕变时效成形的7000系列铝板在T651表面淬火时的典型工艺路线图。该材料在Tsht温度浸泡tsht时间段后进行固溶化处理，然后淬火至室温（T 0）来产生过饱和固溶体。拉伸后在T0减压并且在TAA时产生第一阶段老化从而使微观组织稳定，该铝板内的残余应力是非常低的，通常在轧制方向和横向上约为15兆帕。

图1 经蠕变失效成形的7000系列铝板在T651表面淬火时的工艺路线图

对于在航天服的应用方面，通常超过90％的原始材料体积的整体特征会被消除，如产生纵深和表面带。表面残余应力高是由于在加工过程中所经历的复杂的热加工和机械负载下产生的结果。这些残余应力分布可以由自身影响，或通过相互作用从而相互影响，例如加工参数、切削温度、边界和负载条件以及切割工具的材料、大小、甚至磨损程度都会对残余应力的分布产生影响。

2.2主要特点

2.2.1 加工引起的残余应力场

为了便于描述，我们来介绍一个由对称加工引起的残余应力场方程：sigma;res，首先当 minus;h/2le;zle;(minus;h/2 d) 时

（1）

当 (minus;h/2 d)le;zle;(h/2minus;d) 时

（2）

当 (h/2minus;d)le;zle;h/2 时

（3）

这里z是通过厚度的位置，h是板的厚度，和是最大压应力与表面应力，d是最大压应力方向上的深度，C和X在下文中描述。

图2描述了一个运用改造后的公式（1）、（2）、（3）的sigma;res的分布概况，图2中zmacr; 是正常厚度，其中zmacr;=z/h.

图2 标准化的厚度钢板通过典型的加工引起的残余应力剖面的主要特点

  • 在加工表面上不存在而是在地下区域，公式（1）描述了从地板表面上增长到底部表面上深度为d的的线性 sigma;res 。杨等人研究了加工引起的残余应力和变形，并提出了一种可能会在他们实验过程中导致观察失真的应力分布的基函数。其中之一的基函数适用于公式（2）并且是omicron;res的主要组成部分。这个基函数的定义域为minus;1le;Xle;1，表现出加工表面附近向板中心呈指数型大幅度衰减，这些是机械加工引起的残余应力的典型特征。常数C需要sigma;res满足力和力矩平衡，最后，公式（3）描述了一种用于在板的顶表面的线性地下sigma;res。

2.2.2 关键功能定量

表一是通过各种文献总结的sigma;res的主要特征的量化值，结果是对7000 -系列铝合金的加工操作所得出的sigma;res(标准差)平均残余应力值。

表一 平均（标准偏差）平面的总结，通过参考研究在7000系列的铝合金上进行表面加工来得出最大压应力和最大拉伸残余应力。

（MPa）

（MPa）

（MPa）

参考

25（97）

-155（86）

14（18）

德克纳，唐，黄等人

经常出现在机加工表面低于d=22plusmn;8 mu;m地方而且它的值明显大于和，后两个是在平均低拉伸状态下的值,有时也可以减小, 特别在大量的文献中，应力状态表现出多变化的情况。

2.3潜在的影响

在蠕变时效成形中的初始变形阶段组件之间主要经历弹性和粘塑性变形，它们依赖于组件的当前内部应力状态。图3a显示出了具有上述sigma;res的板的厚度方向上的示意图。作为参考，在对7000系铝合金进行表面加工时，值围绕在-155兆帕（表1）附近。据报道，与蠕变冯·米塞斯等效应力相似的合金可以低至60 MPa。图3b和3c显示了在蠕变失效成形期间板的弹性加载和加载的应力分布。因为不对称（绕垂直轴线）的残余应力场的存在，弹性加载应力分布的形状被扰乱并且中性表面的位置被移位。假设，这种sigma;res-绕组感应应力干扰可能导致在蠕变失效成形期间蠕变应变量的累积，这可能最终影响回弹预测的变化，这一点正是本文报告所调查目的。

图3 （a）一种典型的加工引起的残余应力分布的示意图，

（b）在残余应力满载的板上弹性弯曲应力

（c）所得的应力分布

3.实验细节

3.1材料

尺寸为600毫米times;350毫米,厚度为3-8毫米的7B04-T651铝板是由中国航空工业集团公司BAMTRI（中国北京）通过纵向轧制制得。 25 mm厚钢板坯在475°C经过固溶热处理，1小时后水淬，通过1.5%拉伸消除残余应力并且在115°C下进行人工老化，24 h后得到峰值强度。钢坯随后经过厚度线切割以接近所要求的厚度，切割板最终交付前再进行表面加工。图4a显示了在我们拿到它们时板上所画的网格线。各板的平均厚度值（h）是基于20个测量值，四个板的边缘用一对数字游标卡尺。

图4 （a）是板的网格线

（b）初始挠度位置测量出的初始弯曲变形，单位是毫米。

3.2初始变形测量

由于加工后残余应力的存在所有的板都有不同程度的初始变形，初始变形的主要形式是单一的弧度弯曲。为了描述初始弯曲变形，在y板中心与网格线的位置有一个垂直方向上的不同，如图4b所示，用一个高度计测量它的数值。在每一方板x =plusmn;175毫米出进行三组测量,得到12组一半板长的测量结果。其结果然后平均，得到一个半板的平均初始变形曲线。

3.3表面残余应力测量

使用帕路斯mu;-X360紧凑型X射线残余应力分析仪（帕路斯实业有限公司，威尔士，英国）来进行表面残余应力的测量。该仪器可以在表面上穿透10微米的深度，通过探测器探测到一个区域衍射的x射线来进行分析运行。最后通过使用余弦的方法来计算残余应力。

3.4蠕变时效成形试验

林等人提出并构想了一个灵活的蠕变时效成形的模型工具， 本研究对这个模型工具进行了测试。图5就是该蠕变时效成形的模型工具，这个成形实验装置有上模和下模，并且每个都有23根销钉。作为蠕变时效成形的工具和CAF测试装置，相应的模型数值的一些更多的细节，在后续章节将进行进一步的介绍。

利用一个250吨的液压伺服试验机（诺伍德，MA，USA）进行加载和卸载。热处理是在一个风机辅助Aerotherm（斯塔福德郡，英国，英国）的具有内置的数字微处理器和独立过热控制的箱式炉下进行。并且利用一个数字温度计来监测板的蠕变老化过程中的温度。

图5

（a）的蠕变时效成形工具和测试 装置

（b）坐标系统定义，弯曲半径（r），初始中心偏转（delta;0）和最终中心偏转（F）

（c）三个所形成的板的最终曲率（＃1）3.2，（＃4）5.3和（＃7）8.2毫米厚度

蠕变时效成形测试所用的板使用相同的工具安装，目的是产生一个1200毫米的单一的弯曲曲率半径（r），如图5b所示，将板这样放置，初始弯曲曲率总是符合装载曲率半径r。装载期间，冲头速度为4毫米/分，在蠕变老化期间，所记录的盘的温度保持在115plusmn;2摄氏度左右。卸载后，卸板最终中心挠度的测定回弹的特点（图5b）。 只有扳上Y =plusmn;240毫米的部分被认为是工具工作时的区域。

3.5实验结果

测定的平均表面残余应力值 -43plusmn;19兆帕，更靠近文献范围（表1）末端的压缩值，表2总结h的测量值，初始变形程度和板的。在y = 240毫米处测量的初始变形相当于图5b中的delta;0，往往较薄的板的初始变形会较大。通过比较H和发现两者之间并没有明显的相同趋向，但后者似乎与板的初始变形有一定程度的相关性。图5c显示出了在板的不同的厚度所形成的三个最终曲率（＃1，＃4和＃7）。

表2：板的平均厚度，初始变形和板的最终变形

5.有限元模拟

有限元分析在蠕变时效成形、残余应力的测定和钣金零件的回弹问题中被广泛的应用。图6显示了有限元建模过程中的流程图和对个别过程的详细描述。

无调整C

有或没有残余应力时的有限元分析

无 有

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