采用圓環三角試樣評價材料的尺寸穩定性

顧開選, 王凱凱, 郭 嘉, 翁澤鉅,3, 王俊杰,3

(1.中國科學院 空間功熱轉換技術重點實驗室, 北京 100190； 2.首鋼集團有限公司技術研究院, 北京 100043； 3.中國科學院大學, 北京 100049)

航空零部件具有尺寸大、結構復雜、加工去除量大等特點，加工完成后的零部件變形嚴重，直接導致產品合格率低、生產成本高、產品交付困難等問題，嚴重阻礙了我國空天力量的快速穩健發展[1]。宇航精密構件的微變形導致儀器導航、定位精度出現偏差，高檔機床零部件的變形導致機床整體精度下降過快等問題，均是由于關鍵核心零部件在服役條件下或者加工后自然條件下的宏觀尺寸變化所導致的[2-3]。

一般認為，金屬材料尺寸的自發變化是以下兩個因素的結果：①材料的相與組織的不穩定性；②在各種熱加工與冷加工工藝過程中以及在機械裝配操作時，零件中的殘余應力及其松弛[4-5]。國外對于尺寸穩定性問題的研究起步較早，前蘇聯對精密機械制造與儀器制造中金屬與合金的尺寸穩定性開展了系統的研究，20 世紀70 年代初便制定了金屬材料尺寸穩定化處理工藝國家標準，而我國在這方面的研究不夠系統深入，其中的一個主要原因是尺寸穩定性評價方法不健全[6]。

從宏觀變形層面對尺寸穩定性進行表征是一種較為直觀的手段，前蘇聯學者[4]提出的奧金格圓環試樣方法就是通過對開口后的圓環采用楔形塊加載，根據卸載后缺口尺寸與原始狀態的缺口尺寸之差來檢測尺寸穩定性。在此基礎上，國內學者孫東立等提出了圓環開口法，通過開口后的尺寸變化來對試樣的尺寸穩定性進行評價；武高輝等提出了一種冷熱循環實時檢測法，通過熱膨脹儀來檢測溫度循環變化條件下材料尺寸的穩定性，其能夠有效反映材料微觀變化和應力松弛的耦合作用[6-8]。

但目前對于材料尺寸穩定性的評價還是缺乏快捷的、標準的評價手段，對于工業應用來說，最直觀的評價方法是直接檢測零件的外形尺寸，然而，對于處理工藝的優化或試驗研究難以開展大批量的實際零件檢測，況且零件種類繁多導致尺寸變化的規律性難以把握。因此，筆者提出一種圓環三角法對尺寸穩定性進行評價，通過對試樣結構的設計使其能夠精確反映材料尺寸的變化，從而為大批量的尺寸穩定化工藝研究提供支持。

1 試驗方法

1.1 圓環三角試樣設計方案

基于初始平衡殘余應力的釋放導致試樣產生應變的原理，考慮到圓環開口法試樣上殘余應力的分布比較均勻，開口后引起的應變較小，從而影響測量精度。因此，該方案是在一個圓形試樣中心開一個三角形的槽從而獲得尺寸不均勻的試樣。此外，為了試樣方向便于控制、線切割固定方便，在圓環外側加工出兩個平面。在此基礎上設計了如圖1所示的圓環三角試樣，該試樣具有壁薄(厚度5 mm)、形狀不規則、截面變化大等特點，不同工藝處理后，試樣不同位置殘余應力分布不均勻，沿三角形底邊切開后，殘余應力釋放將導致試樣尺寸發生變化，通過角θ及試樣兩側面平行度開口前后的變化來評價試樣的尺寸穩定性。

圖1 圓環三角試樣尺寸示意圖Fig.1 Diagram of ring triangle specimen size

1.2 試驗材料

為了對上述試樣的有效性進行驗證，采用航空領域廣泛應用的7050鋁合金作為試驗材料，通過深冷處理技術與固溶時效相結合的方式對7050鋁合金進行處理，研究不同工藝對試樣尺寸穩定性的影響。7050鋁合金原材料為軋制板材，化學成分如表1所示，原材料經過長時間[>5 a(年)]自然時效，殘余應力得到充分釋放。

表1 7050鋁合金的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of 7050 aluminum alloy (mass fraction) %

1.3 試驗步驟

圓環三角法的具體試驗步驟如下：①沿軋制方向加工出圓環三角形試樣，圓環內部的三角形采用慢走絲線切割進行加工，保證加工表面平整；②對試樣按照不同工藝進行處理：固溶處理(S)、固溶-時效處理(SA)、固溶-深冷處理(SC)、固溶-深冷-時效處理(SCA)和固溶-時效-深冷處理(SAC)，其中不同工藝具體參數如表2所示；③經過不同工藝的處理后待試樣溫度回至室溫時立刻采用Future866型三坐標測量儀(測量精度2 μm)進行θ角度檢測并記為θ0；④采用線切割沿三角形底部邊緣切開，切割過程中保證不同試樣切割位置一致，試樣裝卡需要避免x和y方向上受力，切割過程中應充分冷卻避免切割熱應力，線切割完成后立即檢測θ′角度，通過θ角的變化Δθ=θ0-θ′和試樣兩側面平行度的變化來對不同工藝試樣尺寸穩定性進行評價。每個工藝測試3個試樣，取平均值作為最終結果。

表2 工藝編號及工藝參數Tab.2 Process number and its parameters

1.4 淬火殘余應力模擬

7050鋁合金固溶淬火過程中容易產生較高的殘余應力，這一殘余應力在后續不同處理階段的演化會直接影響到不同工藝處理后的圓環三角試樣的尺寸穩定性。為此，采用ABAQUS有限元軟件對圓環三角試樣淬火后的殘余應力分布情況進行計算，獲得淬火后圓環三角試樣的殘余應力分布，為圓環三角試樣的變形分析提供一定指導。計算模型為圖1所示的圓環三角試樣，固溶溫度為465 ℃，淬火介質為20 ℃的水，材料的物性參數及表面換熱系數參考MUAMMER等[9]的工作，計算采用順序耦合法進行。

1.5 殘余應力檢測

為了結合殘余應力的變化對尺寸穩定性進行分析，采用RS-200型高速渦輪鉆孔設備，按照ASTM E837—13a《通過鉆孔應變計測量殘余應力的標準試驗方法》進行檢測[10]，獲得不同工藝處理后的圓環三角試樣殘余應力分布。殘余應力檢測試樣為50 mm的鋁合金立方體，測試位置位于立方體表面中心位置。

2 試驗結果與討論

2.1 淬火態殘余應力分布

在試樣的各種處理方式中，淬火態下殘余應力對變形作用較大，筆者主要對淬火態殘余應力分布進行分析討論。

7050鋁合金圓環三角淬火后厚度方向上表面和心部殘余應力分布如圖2所示，其中S11為圓環三角試樣x方向上的殘余應力分布，從圖中可以看出，淬火后試樣表面殘余應力數值為負數，表明產生壓應力。而心部應力數值是正數，為拉應力。淬火冷卻初始階段圓環三角試樣表層快速冷卻收縮量較大，心部溫度相對下降較慢收縮量較小，這就導致試樣表層受到拉應力而心部受到壓應力，隨著冷卻過程的繼續進行，試樣表層溫度基本不變，收縮量較小，但心部由于冷卻較慢繼續收縮，這樣就導致淬火試樣表面產生了壓應力而心部產生拉應力[11-13]。隨著試樣截面的變化，殘余應力分布不均勻，可以看出，x方向殘余應力在上下圓弧附近最大。y方向的殘余應力(S22)同樣呈現表面為壓應力，心部為拉應力，沿著三角形兩腰方向殘余應力較大，且沿著底邊方向殘余應力呈現增大的趨勢，殘余拉應力達到了120 MPa左右，由于沿著兩腰朝頂點方向試樣的橫截面尺寸不斷增大，從而形成了對兩腰側底部較大的拉應力。淬火后圓環三角試樣z方向上的殘余應力(S33)幾乎為0 MPa，由于圓環三角試樣較薄(5 mm)，且沿厚度方向尺寸均勻，因此，在該方向上沒有形成明顯的殘余應力分布。

圖2 模擬得到固溶淬火態圓環三角試樣在不同方向上的殘余應力分布云圖Fig.2 Residual stress distribution nephogram in different directions of ring triangular specimen treated by solution+quenched were obtained by simulation: a) S11-x direction surface residual stress distribution nephogram; b) S11-x direction central stress distribution nephogram; c) S22-y direction surface residual stress distribution nephogram; d) S22-y direction central stress distribution nephogram; e) S33-z direction surface residual stress distribution nephogram; f) S33-z direction central stress distribution nephogram

通過以上分析可以看出，圓環三角試樣淬火后能夠在試樣內部沿x和y方向形成明顯的不均勻殘余應力分布，沿著三角形底邊切開后，y方向上的殘余應力將會得到明顯釋放，同時x方向上的殘余應力也會得到一定釋放，殘余應力釋放最明顯的效果將會導致圓環三角的頂角角度和側面平行度的變化。其中y方向的殘余應力對變形起著主導作用，z方向上沒有明顯殘余應力分布可以避免試樣尺寸變化復雜導致難以精確測量變形的問題。經過不同的工藝處理后，圓環三角試樣內部的殘余應力分布不同，從而沿試樣底邊開口后所引起的變形將會存在差異。因此，通過開口后試樣三角形頂角的尺寸和兩側面平行度的變化可以對試樣的尺寸穩定性進行評價。

2.2 圓環三角尺寸穩定性

深冷處理技術是按照特定的工藝將材料或零部件置于-100 ℃以下的低溫環境下，通過材料顯微組織或殘余應力的變化來實現材料性能的提升[14]。近年來，深冷處理在鋁合金殘余應力釋放方面引起了廣泛關注，研究表明深冷處理能夠有效降低鋁合金殘余應力，提高尺寸穩定性[15-17]。然而，目前對于深冷處理工藝方面還未達成共識，研究表明上坡淬火通過對試樣進行快速冷卻和快速升溫能夠釋放材料殘余應力，然而對于大型復雜結構件難以實現升降溫的均勻控制，目前并未得到廣泛應用。通過緩慢升降溫的冷熱循環方法同樣能夠釋放鋁合金殘余應力[18]，但處理工藝方面并未達成廣泛共識，從而也制約了深冷處理技術的應用。

為了驗證圓環三角方法的有效性，采用深冷處理與7050鋁合金傳統固溶時效相結合，探索不同處理工藝對圓環三角尺寸穩定性的影響，分別結合三角形頂角角度變化(Δθ)和試樣兩側面平行度變化進行分析。從圖3可以看出，固溶淬火態試樣(S)開口前后角度變化最大，固溶態增加深冷(SC)或增加時效(SA)后開口角度變化均減小，而且兩者減小幅度相當，固溶時效后增加深冷(SAC)開口角度變化進一步小幅度減小。然而，值得注意的是固溶深冷后增加時效(SCA)圓環三角開口前后角度變化明顯減小。不同工藝處理后兩側面平行度的變化趨勢和角度變化趨勢基本一致，如圖4所示。

圖3 不同工藝處理后圓環三角試樣開口前后角度變化Fig.3 Angle changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

圖4 不同工藝處理后圓環三角開口前后平行度變化Fig.4 Parallelism changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

通過以上結果可以看出，固溶淬火態(S)由于快速冷卻試樣殘余應力較高，SA是鋁合金常規的處理工藝，時效過程一方面促進鋁合金第二相析出，起到析出強化的作用，另一方面也能降低淬火殘余應力。固溶后的深冷處理對鋁合金難以起到常規時效的作用，但卻能夠釋放淬火態殘余應力，提高鋁合金零件的尺寸穩定性，SAC能進一步釋放鋁合金殘余應力，但其降低幅度較小，然而SCA能夠顯著提高鋁合金尺寸穩定性。可以看出，深冷處理與傳統熱處理的不同結合工序對鋁合金尺寸穩定性有著不同的影響效果，其中固溶后時效前增加深冷處理能夠顯著提高鋁合金的尺寸穩定性。

2.3 鋁合金殘余應力分布

為了證實殘余應力對尺寸穩定性的影響，考慮到圓環三角試樣殘余應力分布不均勻，測試位置的差異會造成檢測結果差別較大，且采用盲孔法應變片難以貼到較為典型的位置，所以采用尺寸為50 mm的7050鋁合金立方體來檢測不同工藝處理后中心位置的殘余應力變化。首先針對原始態(R)和固溶淬火態(S)試樣進行了殘余應力檢測。由于原始材料自然時效5 a以上，試樣內部殘余應力幾乎完全釋放，x和y方向上的殘余應力接近于0 MPa，且隨深度增加均勻分布，如圖5 a)和 b)所示，這在一定程度上也證實了測試結果的準確性。固溶淬火處理后立方體表面x和y方向均形成225 MPa左右的壓應力，隨著深度的增加壓應力逐漸減小并有轉變為拉應力的趨勢。圖5 c)和 d)對比了不同工藝處理后鋁合金的殘余應力分布，從圖中可以看出，固溶時效處理(SA)后的殘余應力相對于S態來說幅值有所減小，且分布相對較為均勻，SAC處理后表面壓應力進一步減小，隨深度的分布與SA相比變化不明顯，然而SCA處理后殘余應力幅值明顯減小，且隨深度的分布更加均勻。因此，可以看出，不同工藝處理后殘余應力的變化與尺寸穩定性結果保持一致，其中固溶后時效前增加深冷處理試樣的殘余應力幅值最低、分布最均勻、尺寸穩定性最佳。該結果也充分說明了殘余應力是鋁合金尺寸穩定性的主要影響因素。

圖 5 不同工藝處理后7050鋁合金殘余應力分布Fig.5 Residual stress distribution of 7050 aluminum alloy treated by different processes: a) residual stress distribution in x direction of S and R specimens; b) residual stress distribution in y direction of S and R specimens; c) residual stress distribution in x direction of SA, SAC and SCA specimens; d) residual stress distribution in y direction of SA, SAC and SCA specimens

3 結論

(1) 圓環三角試樣固溶淬火后在試樣內部形成明顯的不均勻殘余應力分布，且沿y方向的殘余應力較高，該殘余應力在試樣切開口的釋放對圓環三角試樣頂角的變化具有重要的決定性作用。

(2) 7050鋁合金固溶淬火后圓環三角開口前后頂角角度和兩側面平行度變化最大，說明其尺寸穩定性最差，時效和深冷處理均能提高淬火態試樣尺寸穩定性，固溶后時效前深冷處理的鋁合金尺寸穩定性最佳。

(3) 7050鋁合金固溶淬火會產生較高的殘余應力，固溶后時效前深冷處理能夠有效降低鋁合金的殘余應力，并促使殘余應力分布均勻化。殘余應力分布與尺寸穩定性變化結果較為一致,說明圓環三角法能夠從殘余應力層面對材料尺寸穩定性進行有效評價。