铝合金厚板残余应力的形成过程
残余应力产生的原因,可分为因外部作用的外在原因,和来源于物体内部组
织结构不均匀的内在原因,分述如下:
1.不均匀塑性变形产生的残余应力
工件在加工过程中和表面形变强化处理(如喷丸,滚压等)时,材料表面或
部分区域发生了塑性变形。振动时效当外力去除后,表面将形成残余应力,与之平衡在未
塑性变形的部分将产生与表层相反的残余应力。机械加工时,因不同的工艺参数
会产生残余拉或压内应力。振动时效设备表面形变强化则可在一定层深内产生较大的残余应
力
2.不均匀温度场产生的残余应力
振动时效工件在加热,冷却过程中,由于各部分的热传导状况不同,工件的温度场不
均匀,致使部分的弹性模量,热膨胀系数等各不相同,从而在工件内部产生的塑
性变形也是不均匀的,这时产生的应力称为热应力。
3.化学变化产生的残余应力
金属材料在化学热处理、电镀、喷涂等工艺后,出于工件表面向内部扩展的
化学成分或物理化学变化引起的密度变化也会产生残余应力。
振动时效设备各种工艺过程产生的残余应力往往是变形、热和相变引起的残余应力的综合
结果。各种工艺参数和机件的几何形状、尺寸大小对工艺过程产生的残余应力有
着错综复杂的影响。振动时效残余应力的产生不论是由于何种原因引起的,都是晶体的晶
格产生了一定范围内的歪曲和晶格畸变,从而在不同范围内形成的自相平衡的弹
性力,要消除这种弹性力,则必须使晶格歪曲和晶格畸变减少或消失,以及使原
子回到平衡位置。常用的消除残余应力的方法是使金属材料发生塑性变形,从而
使残余应力松弛2。
振动时效为获得足够强度与韧性的铝合金厚板,各种毛坯必须进行固溶处理。材料从
大约500℃的高温快速冷却到较低温度(取决于铝合金类型)时,在冷却过程中引
入了很大的热应力梯度,通常构件表面呈现压应力而内部呈现拉伸应力。有关研
究结果表明,铝合金固溶处理时淬火产生的残余应力甚至会接近材料的屈服极
限。其应力分布与构件的尺寸与几何形状有关,当形状复杂且厚度不均匀时,将
导致复杂的应力分布状态。淬火速度愈快,一方而使铜、镁、硅、锌等硬化溶质
振动时效设备最大限度地溶入铝等固溶体中得到强化,另一方而使冷却过程中材料内部的温度
梯度愈大,从而产生的残余应力也愈大
铝合金厚板生产主要工艺过程如下
熔炼—铸造均匀处理热轧—480℃固溶
淬火→预拉伸一时效一机械加工
在以上工艺过程中,淬火是引起工件内残余应力的主要环节。对铝合金来说,
振动时效淬火是为了得到过饱和固济体,为下一步的时效做准备。因此,为避免高温时形
成的过饱和固溶体发生分解以致影响时效后的强度,必须在淬火时保证足够的冷
却速度。但是对厚度40~60mm的铝合金板材,淬火冷却速度太快易使工件内外
层冷却速度不一致,从而产生自平衡的内应力,在淬火时效后,此种应力仍残留
在工件内,形成残余应力6。
