摘 要:采用層削法測試了7050-T7451高強度鋁合金航空板材的殘余應力,對比了不同標準測試 方法的差異,研究了不同厚度板材殘余應力的分布規律。結果表明:試樣兩端有沉孔和無沉孔對殘余 應力的測試結果無明顯影響;在板材不同寬度位置取樣測得的殘余應力無顯著差異;厚度為20mm 及76mm板材縱向試樣的表層為壓縮應力區,次表層為拉伸應力區,心部為無應力或低應力區;厚度 為165mm板材縱向試樣從表層到心部分別為拉伸應力區、壓縮應力區、拉伸應力區、低拉伸應力區。
關鍵詞:層削法;殘余應力;航空板材;應力分布
中圖分類號:TB31;TG146.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)05-0020-05
對機翼、機身整體大梁、整體加強框、整體油箱 等構件采用整體結構設計,可以減輕飛機結構的質 量、提高飛機的整體性能[1]。航空鋁合金厚板是飛 機整體結構制造的重要原材料,在進行軋制、熱處理 等工序時,板材內部會產生殘余應力。在加工過程 中,殘余應力易使零件發生變形,甚至導致產品報 廢。當具有較高殘余應力的板材加工成結構件時, 結構件的應力腐蝕性能、靜拉伸力學性能、斷裂韌性 等均會受到影響。
厚板殘余應力的測試方法包括機械釋放法、無 損檢測法、裂紋柔度法、納米壓痕法和激光超聲波法 等[2-3],許多學者對這些方法進行對比分析,得到了 不同測試方法的優缺點及其適用范圍。廖凱等[4]根 據彈性力學理論,運用現行積分形式建立起剝除層 殘余應力與試樣變形之間的關系,通過變形或者應 變反求應力,還原了厚板內部連續的應力變化,推導 出了應力求解積分形式。王樹宏等[5]運用彈性力學 理論推導出了厚板內部殘余應力測試的新方法,采 用該方法可以測試預拉伸鋁合金7050-T7451厚板 沿厚度方向的殘余應力分布。張延成等[6]運用彈性 力學理論推導出測試厚板內部殘余應力的改進剝層 應變法,測試了2D70-T351預拉伸鋁合金厚板沿厚 度方向的殘余應力分布,并采用有限元分析技術模擬了該板材的應力分布,驗證了該方法的準確性。 但目前國內學者提出的許多應力測試方法仍然停留 在試驗階段,并未形成相應的測試標準。
層削法在波音及空客公司的測試標準中都有運 用。波音公司的標準BMS7-323《高強度、耐疲勞、 抗應力腐蝕7050鋁合金板》采用層削法測試航空板 材縱向試樣的加工變形撓度,以撓度的大小判斷產 品是否合格,并不計算試樣或板材的殘余應力。空 客公司的標準 AITM1-0040《金屬板材殘余應力測 量》采用層削法測試試樣的加工變形撓度,然后計算 試樣及板材內部的殘余應力分布。筆者對不同標準 的殘余應力測試方法進行研究,并對國內現有航空 板材的殘余應力分布進行測試,分析了不同厚度板 材的應力分布規律。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
試樣取自 7050-T7451 高強度鋁合金航空板 材,表1為對應的試樣尺寸參數。試樣保留原始軋 制表面,去除加工時,銑刀盤直徑為66mm,最大進 給速率為2000mm/min,轉速為3000r/min,粗加 工單次進刀量為1mm,精加工進刀量為0.3mm。 共采用兩種試樣類型,一種是有沉孔的試樣,一種是 無沉孔的試樣。
1.2 試驗方法
參照 BMS7-323及 AITM1-0040標準,殘余 應力測試的主要過程為:將試樣放置到支撐架上, 以試樣底部的軋制表面為參考平面,試樣上部的 軋制表面為銑削平面,在參考平面中心點法向固 定千分表,測試參考平面的撓度,試樣初始厚度處 的千分表指針設為零點;隨后逐層銑削試樣的銑 削平面,每道次銑削試樣總厚度的1/20,直至試樣 厚度為原始厚度的一半(部分試樣超過一半厚 度);每次銑削一層試樣厚度,將試樣放置到最初 的測試位置,測試參考平面中點的撓度;最終將測 得試樣所有道次的厚度和撓度代入應力計算公 式,計算試樣的殘余應力。
2 試驗結果
2.1 有沉孔與無沉孔試樣的測試結果
將厚度為76mm的B組板材加工成29個縱向 試樣,分別編號為 BL1~29,其中試樣 BL3、BL8、 BL21不加工沉孔,試樣BL4、BL9、BL22加工沉孔。 圖1為有沉孔與無沉孔試樣的應力測試結果。由圖 1 可 知:有 沉 孔 試 樣 的 平 均 最 大 拉 伸 應 力 為 13.9MPa,平均最大壓縮應力為-13.6MPa;無沉 孔試樣的平均最大拉伸應力為13.8MPa,平均最大 壓縮應力為-13.2MPa。有沉孔和無沉孔試樣測 試結果的差值與平均值之比小于3%,說明試樣的沉孔對測試結果幾乎無影響。
2.2 板材不同寬度位置的拉伸和壓縮應力
圖2為 B組板材不同寬度位置試樣的最大拉 伸和壓縮應力。圖3為 B組板材不同寬度位置試 樣最大拉伸和壓縮應力在厚度上的位置。由圖2,3 可知,厚度為76mm 板材的整個寬度范圍內,平均 最大壓縮應力為-14.0MPa,位于板材12mm 和 64.2 mm 厚 度 位 置;平 均 最 大 拉 伸 應 力 為 13.4MPa,位于板材26.8mm 和49.4mm 厚度位 置。圖2中虛點均為從殘余應力與板材厚度規律性 較差的試樣曲線獲取的數據,觀察將虛點排除后的 曲線,可見板材不同寬度位置的最大壓縮應力與最 大拉伸應力具有較好的一致性。
B組板材中試樣BL1、BL2、BL3、BL27、BL28、 BL29的取樣位置為板材邊緣,試樣 BL13、BL14、BL15、BL17、BL18、BL19的取樣位置為試樣中間寬 度位置,對板材邊緣和中間寬度的試樣在厚度方向 的殘余應力進行測試,結果如圖4,5所示。由圖4, 5可 知:板 材 邊 緣 試 樣 的 平 均 最 大 拉 伸 應 力 為 12.1MPa,平均最大壓縮應力為-14.2MPa;中間 寬度試樣的平均最大拉伸應力為13.8MPa,平均最 大壓縮應力為-13.5MPa。
2.3 板材試樣不同厚度位置應力分布
對板材中部試樣BL13不同厚度位置的應力分 布情況進行測試,結果如圖6所示。由圖6可知:板 材表層為壓縮應力,該應力隨厚度增加逐漸增大,在 66.9mm厚度位置達到峰值,隨后壓縮應力減小, 在板材厚度約為57.5mm 位置應力減小到0,殘余 應力轉變為拉伸應力,拉伸應力在板材47.8mm 厚 度位置達到峰值;隨厚度繼續增加,拉伸應力逐漸減小,在厚度為40.2mm位置再次減小到接近于0。
B組板材縱向試樣應力沿厚度分布情況如圖7 所示。由 圖 7 可 知:板 材 縱 向 試 樣 厚 度 為 0~ 19mm(A區)以及厚度為57~76mm(D區)位置 為壓縮應力區,A區和D區是壓縮應力從低到高再 降為0的單一應力起伏區,平均壓縮應力峰值為 -14MPa,位于板材兩側軋制表層下方12mm厚度 位置;板材縱向試樣厚度為19~57mm位置為拉伸 應力區,包括兩個拉伸應力起伏區(B區和C區)以及 3,4點之間的低應力區,B區和C區的平均拉伸應力 峰值為13.6 MPa,分別位 于 板 材 的 26.8 mm 和 49.4mm厚 度 位 置,低 應 力 區 的 最 小 應 力 為 2.2MPa;在壓縮應力峰值向拉伸應力峰值的過渡區, 板材試樣的殘余應力與厚度具有良好的線性關系。
圖8為厚度為20mm的 A組板材縱向試樣的 應力分布曲線。從圖8可知:試樣表層為壓縮應力 區,峰值位于試樣的表面;隨著厚度增加,壓縮應力 逐漸減小,在板材試樣厚度約為17.7mm 位置,壓 縮應力減小為 0,然后變為拉伸應力;在厚度為 14.6mm 位置,拉伸應力達到峰值,隨后拉伸應力 逐漸減小,并在厚度約為12mm位置應力再次減小 到0;在板材試樣厚度心部區域為無應力或壓縮應 力區,試樣 A1心部區域的壓縮應力極小,接近于0, 試樣 A2心部區域的壓縮應力約為-4.4MPa。
圖9為厚度為165mm的C組板材縱向試樣的
應力分布曲線。由圖9可知:試樣表層為拉伸應力
區,峰值在板材試樣表面;在厚度約為152.6mm 位
置拉伸應力變為0;隨后應力變為壓縮應力,在厚度
約為136mm位置,壓縮應力達到峰值;隨著厚度增
加,壓縮應力逐漸減小,在深度為108.2mm 位置,
壓縮應力變為0,隨后應力變為拉伸應力;在厚度為
102.8mm 位置,拉伸應力達到峰值,然后逐漸減
小,在 厚 度 為 86.2 mm 位 置,拉 伸 應 力 減 小
到5MPa。
圖10為不同厚度板材試樣的應力區域分布及 所占 全 厚 度 的 百 分 比。由 圖 10 可 知:厚 度 為 20mm及76mm板材縱向試樣的表層為壓縮應力 區,次表層為拉伸應力區,心部為無應力或低應力區;厚度為165mm的板材縱向試樣,從表層到心部 分別為拉伸應力區、壓縮應力區、拉伸應力區、低拉 伸應力區;厚度為20,76,165mm 的板材縱向試樣 在一半厚度上拉伸應力區與壓縮應力區寬度的比例 分別為2.5,1,1.3。
3 綜合分析
3.1 層削法的試樣類型
BMS7-323標準采用長條形試樣,測試試樣在 銑削掉不同厚度的材料之后,參考平面中心點在一 定支撐距離下的變形撓度。不同厚度板材試樣在所 有加工道次完成之后,所有單層加工的最大變形撓 度以及所有道次總加工的最大變形撓度應不超過標 準要求。該標準將縱向試樣參考平面中心點的變形 撓度作為判斷板材是否合格的判據。相對于其他標 準,該標準實際運用的可操作性更強。
AITM1-0040標準同樣采用長條形試樣,試樣 兩端不加工沉孔,銑削試樣時,只能從側面夾持試 樣。測試參考平面所用的支撐距離比BMS7-323標準要求的支撐距離更長。該標準提供了完整的殘余 應力計算公式。此外,該標準計算板材的殘余應力 需要橫向和縱向兩個方向的試樣同時進行測試,如 果只測試一個方向的試樣變形撓度,只能得出試樣 在該方向不同厚度的殘余應力,不能得出板材在不 同厚度下的殘余應力。
3.2 層削法試樣的加工
層削法在測試試樣殘余應力時,需要逐層銑削 掉一部分厚度,因此需要考慮試樣加工過程中的夾 持問題。BMS7-323標準要求試樣在支撐距離外加 工兩個沉孔,用螺栓將試樣固定在加工基座上,使試 樣固定更為牢固,銑削時不易發顫,更容易保證試樣 長度范圍內厚度銑削均勻。AITM1-0040標準要 求保持整個長條形試樣的完整性,試樣不加工沉孔, 加工時夾鉗從側面夾持試樣,該方法產生的內應力 會導致試樣發生輕微變形,且側面夾持難以保證試 樣銑削面為平面,銑削后試樣的厚度略有差異,其次 夾鉗通常比較短,只能夾持試樣中段長度,試樣兩端 懸空,加工時試樣易發生顫動。
在試樣兩端加工沉孔,在測試時會造成應力釋 放,理論上會改變試樣應力分布。但根據實際測試 結果可知,有沉孔和無沉孔試樣測得的殘余應力沒 有明顯區別,說明沉孔造成的應力釋放對測試結果 的影響極小,因此可以用有沉孔試樣測試殘余應力。
4 結論
(1)用層削法測試殘余應力,試樣兩端有沉孔 和無沉孔對測試結果無明顯影響,可以用有沉孔試 樣測試殘余應力。
(2)厚度為20mm 及76mm 板材縱向試樣的 表層為壓縮應力區,次表層為拉伸應力區,心部為無 應力或低應力區;厚度為165mm 板材縱向試樣從 表層到心部分別為拉伸應力區、壓縮應力區、拉伸應 力區、低拉伸應力區。厚度為20,76,165mm 試樣 在一半厚度上,拉伸應力區與壓縮應力區的寬度比 分別為2.5,1,1.3。
(3)板材在不同寬度位置測得的殘余應力沒有 顯著差異。為與標準保持一致性,建議從板材中間 寬度取樣。
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