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第6 2 卷第2 期 20l0 年5 月 有色金 属 N o n k I T O U M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．2 M a y 2010 铝合金7 0 7 5 T 7 3 5 1 中厚板内残余应力的动态测量 万晓航1 ，董兆伟2 ，刘胜永3 1 ．西安科技大学能源学院，西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．河北工业职业技术学院，石家庄0 5 0 0 9 1 ； 3 ．河北师范大学职业技术学院，石家庄0 5 0 0 3 1 摘 要采用动态应变测量技术测量7 0 7 5 T 7 3 5 1 铝合金中厚板内残余应力大小及分布规律。在测量中，对铝合金预拉伸板 毛坯残余应力的释放进行全时域的数据采集与分析，不仅得到了预拉伸板残余应力的三维分布规律．还获得了三维残余应力释放 速度趋势。三维残余应力分布规律在控制航空整体件加工变形的工程应用中具有重要意义。 关键词金属材料；残余应力；动态测量；预拉伸铝合金板 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T H l 6 1 ．1 4文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 3 7 0 3 随着生产技术的高速发展，铝合金材料在航空 制造业中得到了广泛等应用，同时对航空材料的强 度、韧性、抗腐蚀性能以及材料的重量等参数指标提 出了越来越高的要求。如飞机的机身、机翼、尾翼和 蒙皮结构件等越来越多部件采用硬铝和超硬铝合金 材料。7 0 7 5 T 7 3 5 1 铝合金是目前使用较为广泛的高 强度铝合金之一。 材料内部的残余应力对零件的疲劳强度、抗应 力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用寿命有着直接的影 响。控制残余应力引起的加工变形已成为航空制造 中亟待解决的关键技术之一。为了解决材料内部残 余应力对加工变形的影响问题，必须定量分析材料 内部残余应力的大小和分布，评价残余应力对航空 结构件各种性能的影响，因此，首先应测量出材料内 部残余应力。 1实验方法 1 ．1 测量原理 厚板内部残余应力的测量在工程中常用逐层铣 削法，在每一层板面的菇和，，方向具有残余应力矿， 和盯，，这些应力是距板面深度z 的函数，设为盯 Z 和盯j z ，从板中间分别沿菇和，，方向切取2 个条形 试样，内部应力分别设为盯 z 和口， Z 。 计算公式为盯 z [ 矿。 z 肛盯， z ] ／ 1 一 收稿日期2 0 0 9 1 1 1 2 基金项目河北省科技厅科研资助项目 0 8 2 1 5 6 0 3 0 ；河北省教育 厅科研资助项目 2 0 0 2 2 4 0 作者简介万晓航 1 9 7 2 一 ，男，北京市入，讲师，博士生．主要从事 智能检测与信息融合等方面的研究。 肛2 和o r r ’ z [ 盯， z 肛矿。 z ] ／ 1 一肛2 。使用 逐层铣削法测量应力，应力与应变关系为占。 E [ h 一口 d r ／d a 一4 8 6 h 一口 J 占／ h z 2 d z ] 7 2 ， z 0 ～o ，式中h 一材料厚度；E 一材料的弹性模 量；占一测量得到的应变；o 一每次铣削层深；z 一铣削 层距表面深度。 1 ．2 试验材料 测试试件材料为铝合金7 0 7 5 T 7 3 5 1 的8 0 r a m 超 厚板从厚板中间切割2 1 0 m mX9 0 r a mX8 0 m m 的 试件。7 0 7 5 T 7 3 5 1 的物理特性如表1 所示。T 7 3 5 1 的热处理状态为固溶处理后，在室温下沿轧制方向 进行2 ．5 ％的永久机械拉伸变形消除应力，然后经 过时效处理。 表1铝合金7 0 7 5 T 7 3 5 1 物理特性参数‘1 3 T a b l e17 0 7 5 T 7 3 51p h y s i c sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 1 ．3 试验设备 为精确的测定铝合金7 0 7 5 T 7 3 5 l 预拉伸板内的 残余应力大小、分布状态以及残余应力释放的过程， 采用了高精度Y E 3 8 1 8 c 型动态电阻应变仪。 Y E 3 8 1 8 C 型应变放大器是一种高性能，多通道信号 调节放大器。可用于应变测量和小信号电压测量，如 配用相应的电阻应变式传感器，可测量力、压力、扭 万方数据 3 8 有色金属 第6 2 卷 矩、位移、速度、加速度等物理量。电阻应变片采用 单轴箔式B X l 2 0 5 A A 型应变片。数据采集卡采 用6 0 3 4 E 。试验数据采集系统如图1 所示。 在试验方案中，应变片通过电桥盒连接到应变 仪上，由应变片得到的应变信号送到动态电阻应变 仪放大，在经过数据采集卡传送到计算机。通过对 应变仪控制软件进行设置，如通道参数设置、采样频 率设置、采样方式设置等参数设置，完成应变数据的 采集。 图1数据采集系统框图 F i g ．1 D a t ac o l l e c t i n gs y s t e m 1 ．4 试验系统特点 1 采样数据是由计算机自动采集，可以在应 力的释放过程中自动采集数据，可以避免人为的读 数误差； 2 试验系统可以测量铝合金板材料去除 过程中残余应力释放的过程。采样数据点比较多， 计算结果精确度较高。数据采集流程如图2 所示。 试采样’于查测点是否正气IiJ、Ll 扫描采洋定时采样触发采样 主要用于手动采样 主要片I 于定时检测 主要片j 于跳变检测 图2 数据采集流程图 F i g ．2 D a t ac o l l e c t i n gf l o w s h e e t 2测量结果及分析 1 残余应力沿铣削方向上的变化如图3 所 示。从图3 可以看出，在沿标定的方格线去除材料 时，应变是不断变化的。随着铣刀的逐渐切入，应变 由增加的趋势，但是当铣刀切完方格的一个边长的 时候，应变有一个松弛的现象。这可以解释为铝合 金板内的残余应力有一定的波动，轧制方向与垂直 于轧制方向的应力是不同的。随着应力的释放，在 主应力方向上的应变会出现变化。随着材料的继续 去除，应变由增加的趋势，但是幅度不大。这表明， 对于铝合金板整体，热处理后的预拉伸有效地降低 了残余应力的数量级，使应力分布比较均匀，但是对 于比较小的区域，需要考虑残余应力主应力方向。 如果不考虑切入和切出对应变的影响，残余应力的 大小在每次切削时应分布在一个区域之中。使用同 样方法，可以得出整个沿铝合金板深内的残余应力。 第一次切削应变变化 1 1 4 6 1 2 髫1 图3 材料去除过程中应变变化曲线 F i g ．3 S t r a i nr e l e a s i n gc u r v e si nm a t e r i a lr e m o v i n gp r o c e s s 星 至 、 R 韬 妊 镁 I3579l l1 31 51 71 9 切削次数 图4 残余应力沿深度上的变化曲线 F i g ．4 R e s i d u a ls t r e s sc u r v e sw i t hd e e pd i r e c t i o n 2 残余应力沿深度方向上的变化，如图4 所 示。深度方向上每次切削深度为2 m m 。铝合金 7 0 7 5 T 7 3 5 l 预拉伸板在热轧成形、淬火、拉伸和时效 处理的过程中，板的长度和宽度比厚度大许多，因此 在板的长度方向和宽度方向的应力与厚度方向的中 性平面对称嵋。，因此，在实验中可以假设试件的残 余应力只是随着板的厚度变化，对称与中性平面的 舯坫m；q圳小 万方数据 第2 期万晓航等铝合金7 0 7 5 T 7 3 5 1 中厚板内残余应力的动态测量 3 9 两平面残余应力分布相同，这样可以得到板内残余 应力的分布规律，如图5 所示。 星 善 长 均 熊 镁 l591 31 72 l2 52 93 33 7 深度／m m 图5 残余应力在板厚方向上的变化曲线 F i g ．5 R e s i d u a ls t r e s sc u r v e sw i t ht h i c k n e s sd i r e c t i o n 3结论 1 采用动态应变测量技术，可以对铝合金预 拉伸板毛坯残余应力的释放过程进行全时域的数据 采集与分析，不仅可以得到预拉伸板残余应力的三 维分布规律，而且还能获得三维残余应力释放速度 趋势，为进一步深入研究残余应力变形和加工变形 控制提供基础。 2 铝合金7 0 7 5 T ／3 5 1 厚板内残余应力分布规 律为中心受拉应力，表面受压应力。在轧制方向上 的最大拉应力为1 2 ．7 6 一1 5 ．4 8 M P a ，最大压应力为 一1 1 ．2 2 一一1 3 ．1 3 M p a ，在垂直于轧制方向上的最 大拉应力为9 ．7 3 1 1 ．3 4 M P a ，最大压应力为一8 ．9 7 一一1 0 ．6 6 M P a 。 3 残余应力分布在长度和宽度方向上分布都 呈现M 形曲线的特点。在轧制方向上，最大压应力 出现在距离中性平面1 5 ％板厚处，最大拉应力出现 在距离表面5 ％板厚处。在中性平面附近出现一个 鞍型的局部区域，压应力比较平均，幅值变化较小， 大约是1 0 M P a 左右。在这个区域内加工薄壁类对 称的零件会变形最小。 4 残余应力在轧制方向和垂直于轧制方向 上，同一平面内的残余应力的大小是有波动的，使用 动态电阻应变仪可以测量出这个波动的范围在 2 M P a 以内。 参考文献 [ 1 ] 北京航空材料研究所．航空材料学[ M ] ，上海上海科技出版社，1 9 8 5 1 4 5 1 4 6 ． [ 2 ] 董跃辉，柯映林，孙杰，等．铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响[ J ] ．航空学报，2 0 0 4 ，2 5 4 4 2 9 4 3 2 ． R e s i d u a lS t r e s sD y n a m i cM e a s u r i n gi nT h i c kP r e - s t r e t c h e d A l u m i n u mP l a t e7 0 7 5 T 7 3 5 1 W A N X i a o h a n 9 1 ，D O N GZ h a o ．w e i 2 ，L I US h e n g ．y o n 9 3 1 ．X i a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’a n7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ； 2 ．V o c a t i o n a la n dI n d u s t r yI n s t i t u t eo fH e b e i ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 9 1 ，C h i n a ； 3 ．V o c a t i o n a la n dT e c h n i c a lC o l l e g e ，H e b e iN o r m a lU n i v e r s i t y ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 31 ，C h i n a A b s t r a c t T h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o nl a wO r e s i d u a ls t r e s so f7 0 7 5 ’1 7 3 51p r e s t r e t c h e da l u m i n u mp l a t ea r em e a s u r e dw i t h d y n a m i cs t r a i nm e a s u r i n gt e c h n i q u e ．I n t h em e a s u r i n gp r o c e s s ，t h e r e l e a s i n gp r o c e s so f s t r e s si s a c c u r a t e l y m e a s u r e da n dt h es t r a i nc h a n g e sd a t aw i t ht i m ec h a n g i n gi sc o l l e c t e d ．N o to n l yt h es t a t u sa n dt h ed i s t r i b u t i o no f3D r e s i d u a ls t r e s si so b t a i n e d ，b u ta l s ot h er e l e a s i n gv e l o c i t yt r e n do f3Dr e s i d u a ls t r e s si sd e r i v e d ．I ti sv e r ys i g n i f i c a n t i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt h a tt h ea p p l i c a t i o n so ft h e d i s t r i b u t i o nl a wo f 3Dr e s i d u a ls t r e s st ot h ec o n t r o lo f m a c h i n i n gd i s t o r t i o no fa l u m i n u ma l l o yi n t e g r a t e df r a m e w o r ki na i r c r a f t ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；r e s i d u a ls t r e s s ；d y n a m i cm e a s u r i n g ；p r e s t r e t c h e da l u m i n u mp l a t e “ 9 5。≈。Ⅲ小 万方数据
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