深冷處理對抗氫鋼薄壁構件初始殘余應力及變形的影響*

尚逢祥 孔金星 李昀樺

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900）

抗氫鋼材料研制的薄壁構件是核能和兵器等領域中的重要零部件。該類構件由于形狀復雜、材料去除量大等原因，在加工過程中極易產生變形[1]。通常認為，材料初始殘余應力是引起薄壁件加工變形的重要因素[2?3]。為減小初始殘余應力對薄壁構件加工變形的影響，國內外學者廣泛采用機械拉伸法[4]，自然時效法[5]、熱處理時效法[6]、振動時效法[7]以及深冷處理法[8?10]等措施通過降低初始殘余應力來改善工件的加工變形。

深冷處理具有消除應力效果明顯、對零件尺寸和形狀沒有限制等優點，在實際生產中獲得了普遍應用[11]。如魏娜莎[8]等基于X射線衍射法發現對35MnB合金進行深冷處理，能夠降低試樣殘余應力。Nabil Ben Fredj等[9]采用鉆孔法及X射線衍射法研究深冷處理對AISI 304不銹鋼殘余應力的影響，結果表明對經過循環載荷的304不銹鋼進行深冷處理，能夠降低試樣殘余應力。張玉婷等[10]基于X射線衍射法發現深冷處理能夠降低W6試樣表面的殘余應力。

綜上所述，國內外學者廣泛采用深冷處理降低試樣初始殘余應力，并結合鉆孔法及X射線衍射法對深冷處理前后試樣的初始殘余應力進行評估。由于鉆孔法只能測量試樣內部有限點的殘余應力，X射線衍射法僅能測量試樣表面殘余應力。為更全面地獲得材料初始殘余應力信息，Prime M B等[12]在2001年提出了基于輪廓法的初始殘余應力評估方法，可獲得試樣多個位置截面上應力分布全貌。本文所選用的抗氫鋼材料使用環境為高壓、高溫、臨氫環境，因此為保證其抗氫性能，通常采用較低的熱處理溫度進行消應力處理，但該溫度下難以有效降低材料初始殘余應力[13]。因此為實現抗氫鋼薄壁構件的高精度加工，本文在常規時效熱處理的基礎上，采用深冷處理進一步降低試樣初始殘余應力。基于輪廓法對深冷時效處理效果進行評估，結合慢走絲加工去除材料，研究初始殘余應力釋放對工件變形的影響，上述研究將為抗氫鋼薄壁構件加工變形控制提供技術支撐。

1 試驗設計

1.1 試樣處理

試驗材料為抗氫鋼，化學成分如表1所示。將?75 mm原始棒料，經900 ℃加熱后鍛造成?135×18 mm的棒料，在1 050 ℃保溫2 h后經水淬方式進行固溶處理，首先加工成?120×12 mm，并采用線切割加工成?120×6 mm的試樣。

表1 抗氫鋼的化學成分（%）

1.2 時效處理參數

試樣熱處理在馬弗爐（德國納博公司產，型號為LT15/11/B410）中進行，深冷處理在深冷爐（山立公司產，型號為SL500）中進行，深冷介質為液氮。下文中將不同參數下深冷復合高溫時效處理簡稱為深冷處理。

不同時效處理所用的工藝參數如表2所示，#1試樣為固溶處理后的初始試樣。#2試樣采用當前生產中常用的350 ℃保溫4 h時效處理方式進行處理。為降低直接深冷處理導致試樣開裂的可能性，將深冷處理安排在兩次常規熱處理中間，深冷處理所用的參數分別設置為?80 ℃、?130 ℃和?190 ℃。為了與#2試樣形成對比，#3～#5試樣兩次熱處理的溫度以及保溫時間總和與#2試樣一致。不同深冷處理參數下的試樣件數均為3件。

表2 時效處理參數

1.3 基于輪廓法的初始殘余應力測試

本文基于輪廓法對試樣進行初始殘余應力的測試與評估[14]，及其主要步驟如下：

（1）切割試樣。如圖1所示，采用慢走絲切割機床（Sodick AQ400LS）從試樣中部進行加工，平均切割速度為0.5 mm/min，切割所用的絲為銅絲，直徑為0.25 mm。由于應力釋放，加工面將產生彈性變形。

圖1 試樣尺寸、加工面示意圖

（2）測量輪廓。采用接觸式三坐標測量機（Zeiss New Contura Vastxt）測量加工面的變形輪廓，測試步長為0.2 mm。

（3）數據處理。將兩個加工面測得的輪廓值進行平均并進行擬合以消除誤差。（4）應力重構。基于彈性疊加原理將擬合后的輪廓值作為位移邊界條件，將變形輪廓反方向施加到有限元模型上。對試樣進行有限元分析，即可得到垂直于加工面的殘余應力分布。

1.4 材料去除對薄壁件的變形的影響試驗方案設計

（1）試樣材料去除

在線切割加工中導線與材料之間產生的電火花會侵蝕材料，因而去除方式是非接觸式的；而傳統的機械加工由于較大的接觸力而導致局部塑性變形，從而產生較大的殘余應力。同時試樣在線切割加工過程中會浸入溫度控制的去離子水中，從而將加工過程中產生的熱應力降至最低[15]。因此本文基于慢絲加工對材料進行去除，探究材料去除后殘余應力釋放對薄壁件的變形影響。如圖2所示，y向為試樣沿厚度方向，A面為試樣面型測量面，同時也是后續試驗的基準面，B面為試樣去除面。沿y向對試樣B面進行去除，總計去除3次，每次去除厚度約為1.6 mm，材料最終剩余厚度約為1.2 mm。試樣裝夾方案如圖3所示。

圖2 試樣去除方案

圖3 試樣裝夾圖

（2）試樣面型測量

試樣面型測試裝置如圖4a所示，激光探頭型號為KEYENCE CL-300，將探頭安裝自研平臺上并隨著主軸運動。如圖4b所示，在試樣上標記n1、n2及圓心O點，測試時初始點為試樣圓心，并用激光探頭掃描n1、n2兩點是否在X軸和Y軸上，以保證同一試樣每次測量時處于同一位置。以圓心為中心點，對邊長為130 mm的正方形柵格進行測量，測量速度為15 mm/s，測量步長為2 mm，測量精度為0.5 μm。

圖4 試樣面型測量

2 結果與討論

2.1 應力重構結果

圖5所示為數據處理后的#1～#5試樣加工面的輪廓形貌。由圖可知，5組參數下試樣的加工面具有相同的輪廓形貌特征，均為中間下凹、兩邊凸起，但其幅值大小不同，圖5a所示的未處理試樣的輪廓幅值為?0.07～0.07 mm，而其余參數下試樣的輪廓幅值均有所降低，在350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃2 h參數下試樣輪廓幅值降低最明顯，幅值為?0.04～0.03 mm，相比于#1未經熱處理試樣，幅值降低了0.03～0.04 mm。

基于輪廓法測試殘余應力的步驟，結合圖5所獲得的加工面輪廓數據和試樣尺寸建立有限元模型，最終重構得到垂直于加工面的殘余應力，即z向應力σz。不同時效處理參數下試樣應力重構結果如圖6所示。由圖可知，#1～#5試樣中心部位的殘余應力具有相同的分布特征，即試樣中心為殘余拉應力，兩側為殘余壓應力。相比于未處理試樣，熱處理和深冷處理后試樣的初始殘余應力分布梯度較小，中心部位最大殘余拉應力由#1試樣的413 MPa減小至#2～#5試樣的287 MPa、380 MPa、170 MPa、328 MPa。深冷處理后的試樣內部殘余應力均有明顯降低，在350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350℃ 2 h參數下試樣初始殘余應力降低最為明顯。上述結果表明，不同參數主要影響試樣初始殘余應力的幅值大小，而不改變試樣初始殘余應力的分布特征。

圖5 各深冷參數下試樣擬合輪廓

圖6 各深冷參數下試樣加工面應力重構結果

為深入了解5組參數下試樣殘余應力的變化規律，從加工面分別選取距左邊緣1 mm、2.5 mm、4 mm位置處3條評價線，評價線選取位置如圖7a所示，其中L2線位于拉應力峰值附近。由圖7可知，L1、L2、L3這3條線上應力分布特性基本不變，都表現為兩側受壓應力芯部受拉應力；相比于未處理試樣，熱處理和深冷處理后的試樣殘余應力均有所降低，其中#2與#4試樣應力降低效果最為明顯。對L1線與L3線進行分析，未處理#1試樣應力幅值為?150～300 MPa，#2與#4試樣應力幅值分別為?50～200 MPa、?150～100 MPa；對L2線進行分析，未處理#1試樣應力幅值為?100～300 MPa，#2與#4試樣應力幅值分別為?50～200 MPa、?150～150 MPa。結果表明單一熱處理或深冷處理均能夠降低試樣初始殘余應力。由L1、L2、L3線結果可知本次試驗中參數350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h在4組試驗參數中具有最優消除應力的效果，應力幅值從?150～300 MPa下降到?150～100 MPa。

圖7 加工面上沿評價線應力比較

2.2 變形結果分析

根據圖6、7可知，相比于未處理的#1試樣，經過熱處理及深冷處理后的#2與#4試樣初始殘余應力更低，因此選取#1、#2、#4這3組試樣用于探究殘余應力釋放對試樣變形的影響。

將面型誤差定義為激光探頭所測面型與理想平面的差別。如圖8所示，3組參數下的試樣初始基準面型均呈中心下凹形狀，初始基準面型誤差均在±0.03 mm以內。試樣沿厚度方向去除1.6 mm后，基準面型分布特征與初始面型分布相反，呈現中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?0.1～0.08 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.06～0.06 mm、?0.04～0.02 mm。當試樣再次去除1.6 mm時，各參數下試樣基準面型分布與初始基準面型分布相反，與第一次去除后試樣基準面型分布相同，都呈現中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?0.15～0.15 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.15～0.1 mm、?0.1～0.06 mm。試樣第三次去除1.6 mm時，#1試樣面型呈馬鞍狀，#2與#4試樣呈中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?1～1 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.5～0.2 mm、?0.4～0.2 mm。

圖8 試樣面型圖

將3次材料去除后獲得的試樣面型誤差與初始基準面型誤差相減，獲得材料去除過程初始殘余應力變化對試樣變形的影響。第一次材料去除后未處理#1試樣面型變化幅值為?0.11～0.12 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為?0.06～0.08 mm、?0.04～0.03 mm。第二次材料去除后，未處理#1試樣面型變化幅值為?0.16～0.15 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為0.16～0.1 mm、?0.1～0.08 mm。第三次材料去除后，未處理#1試樣面型變化幅值為?1～1 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為?0.5～0.2 mm、?0.4～0.3 mm。

為更準確表示試樣面型誤差的變化，按照如圖9所示選取過圓心的L4與L5線作為評價線對試樣面型變化量進行進一步的對比。

圖9 試樣面型變化評價線

數據處理結果如圖10所示。第一次去除1.6 mm后，#1、#2和4#試樣產生的最大變形分別為0.12 mm、0.08 mm、0.04 mm；第二次去除1.6 mm后，#1、#2和4#試樣產生的最大變形分別為0.18 mm、0.14 mm、0.10 mm。隨著去除量的增加，試樣的面型變化量隨之增加；且相比于初始殘余應力較大的試樣，初始殘余應力較低的試樣面型變化量更小。第三次去除1.6 mm后，#1試樣變為馬鞍形，#2、#4仍然保持中部外凸的形狀。據圖8、9所示，#1試樣內部具有較大的殘余應力，#2、#4試樣的初始殘余應力更小，因此馬鞍形的出現可能與試樣初始殘余應力幅值大小存在一定相關性。

圖10 各試樣3次去除沿評價線面型變化

3 結語

（1）固溶處理后抗氫鋼材料初始殘余應力呈現芯部拉應力、兩側為壓應力的狀態，單一熱處理或熱處理復合深冷處理后抗氫鋼試樣的殘余應力空間分布特性保持穩定，與初始狀態一致，但是應力幅值有效降低，相比于未處理#1試樣的殘余拉應力峰值為300 MPa，經過350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后的試樣殘余應力可降低200 MPa，應力消除率為66.7%。

（2）隨著材料去除量的增加，試樣的面型也隨之變化；材料去除越多，試樣產生的變形越大，#1試樣去除1.6 mm與3.2 mm產生的最大變形分別為0.12 mm、0.18 mm，#4試樣去除1.6 mm與3.2 mm產生的最大變形分別0.04 mm、0.1 mm。

（3）深冷與高溫的復合時效處理方法能夠有效的降低抗氫鋼薄壁平面構件加工變形。相比于未經熱處理試樣，經過熱處理后的#2試樣和深冷處理后的#4試樣產生的變形更小，第一次去除1.6 mm后，#1試樣產生的最大變形為0.12 mm，#2、#4試樣分別為0.05 mm、0.04 mm，變形分別減小了0.07 mm、0.08 mm；第二次去除1.6 mm后，#1試樣產生的最大變形為0.18 mm，#2、#4試樣分別為0.12 mm、0.10 mm，變形分別減小了0.06 mm、0.08 mm。