【摘要】：Al-Cu系鋁合金具有優(yōu)良的綜合性能,廣泛地應用于航空航天工業(yè)。為了獲得高的強度,固溶淬火處理是鋁合金重要的熱處理工序,在淬火處理過程中會引入很大的殘余應力,對構件的尺寸穩(wěn)定性、應力腐蝕性能、疲勞強度等性能有很大的影響,而且,在后續(xù)的機加工過程中會造成很大的變形,因此,調(diào)控和預測鋁合金坯材中的殘余應力,對提高構件的尺寸穩(wěn)定性等性能具有重要的意義。本文分別基于裂紋柔度法和輪廓法建立了鋁合金厚板殘余應力表征方法,結合有限元模擬分析了引發(fā)測試誤差的因素并進行了修正;確定了插值函數(shù)類型及階數(shù)選取準則。分析表明,當裂紋柔度法和輪廓法應用于大尺寸板材的殘余應力測試時,取樣的長寬尺寸應大于2.5倍的厚度才能較好地保持大尺寸板材的殘余應力狀態(tài)。分別采用裂紋柔度法與輪廓法對2A14鋁合金板材的淬火殘余應力進行了測試,并與XRD、超聲波殘余應力測試的結果進行綜合對比。對比表明,兩種方法的測試測試誤差小于15MPa,證實了裂紋柔度法與輪廓法的可靠性。根據(jù)淬火殘余應力分布的相似性,實現(xiàn)了基于表層殘余應力測試數(shù)據(jù)的體殘余應力預測,建立了2A14鋁合金厚板殘余應力的預測數(shù)值模型。模型預測的結果和實驗測試結果最大偏差小于18.2%。研究基于熱壓縮和高溫蠕變實驗,建立了固溶淬火態(tài)2A14鋁合金的高溫變形和蠕變變形的本構方程。應用DFORM-HT的迭代計算方法,計算了三維傳熱情況下2A14鋁合金與換熱介質(zhì)的換熱系數(shù)。將高溫變形本構方程、蠕變本構方程、換熱系數(shù)應用到ABAQUS有限元軟件,建立了熱處理過程中2A14鋁合金殘余應力演化模型,實現(xiàn)了殘余應力的演變過程的描述,分析各因素對淬火殘余應力消減行為的的影響。分析表明,淬火殘余應力隨著淬火速率的降低而降低;時效過程中淬火殘余應力逐漸下降,在時效初期下降較快、后期逐漸趨于穩(wěn)定;在反淬火過程中,隨著高低溫介質(zhì)的溫差和高溫介質(zhì)的換熱系數(shù)的增大,殘余應力消減率提高。隨著反淬火循環(huán)次數(shù)的增加,殘余應力消減率逐漸增大;反淬火循環(huán)次數(shù)在3~4次最佳,繼續(xù)增加次數(shù)無顯著效果。采用XRD和裂紋柔度法測試了不同熱處理態(tài)的殘余應力,測試結果與模擬結果的最大偏差在11.2~15.7%內(nèi),說明本文建立的殘余應力仿真模型準確可靠。對2A14鋁合金板材淬火殘余應力的消減工藝進行了研究,系統(tǒng)地表征了不同消減工藝下板材的殘余應力、力學性能、微觀組織以及尺寸穩(wěn)定性。研究表明,淬火冷卻速率對殘余應力有重要的影響,降低淬火速率可使體殘余應力明顯降低,但同時-會導致力學性能的下降。沸水淬火時,合金中發(fā)生第二相析出及快速長大,合金的時效強化效果降低。與20℃水淬相比,經(jīng)80℃水淬后,2A14鋁合金板材的淬火殘余應力降低73.7%,而強度僅降13%。反淬火和冷熱循環(huán)處理可消除23~40.7%的淬火殘余應力,而合金的力學性能無明顯變化、微屈服強度有輕微提高。2A14鋁合金的尺寸穩(wěn)定性主要與殘余應力的大小有關,殘余應力越低,材料的尺寸穩(wěn)定性越好。建立了2A14鋁合金構件構件淬火殘余應力的模壓消減工藝有限元仿真模型。分析了模壓量、摩擦系數(shù)、模具型面、材料時效狀態(tài)對殘余應力消減效果的影響。對于本文研究的構件,經(jīng)2%模壓取得最好的殘余應力消減效果;降低構件與模具間的摩擦系數(shù)、保證構件各部分發(fā)生均勻壓縮以及在固溶淬火態(tài)實施模壓,均有利于殘余應力的消除。采用輪廓法對淬火態(tài)及模壓態(tài)構件的構件的殘余應力進行測試,測試結果與模擬結果吻合較好,構件心部等典型位置預測誤差小于12.2%,表明本文建立的有限元仿真模型準確可靠。
【圖文】：

第I、II、III類殘余應力內(nèi)應力分布示意圖

不同加工方式產(chǎn)生的殘余應力[6]
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21

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本文編號：2555574