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2A14铝合金厚板残余应力表征及消减工艺研究

【摘要】:Al-Cu系铝合金具有优良的综合性能,广泛地应用于航空航天工业。为了获得高的强度,固溶淬火处理是铝合金重要的热处理工序,在淬火处理过程中会引入很大的残余应力,对构件的尺寸稳定性、应力腐蚀性能、疲劳强度等性能有很大的影响,而且,在后续的机加工过程中会造成很大的变形,因此,调控和预测铝合金坯材中的残余应力,对提高构件的尺寸稳定性等性能具有重要的意义。本文分别基于裂纹柔度法和轮廓法建立了铝合金厚板残余应力表征方法,结合有限元模拟分析了引发测试误差的因素并进行了修正;确定了插值函数类型及阶数选取准则。分析表明,当裂纹柔度法和轮廓法应用于大尺寸板材的残余应力测试时,取样的长宽尺寸应大于2.5倍的厚度才能较好地保持大尺寸板材的残余应力状态。分别采用裂纹柔度法与轮廓法对2A14铝合金板材的淬火残余应力进行了测试,并与XRD、超声波残余应力测试的结果进行综合对比。对比表明,两种方法的测试测试误差小于15MPa,证实了裂纹柔度法与轮廓法的可靠性。根据淬火残余应力分布的相似性,实现了基于表层残余应力测试数据的体残余应力预测,建立了2A14铝合金厚板残余应力的预测数值模型。模型预测的结果和实验测试结果最大偏差小于18.2%。研究基于热压缩和高温蠕变实验,建立了固溶淬火态2A14铝合金的高温变形和蠕变变形的本构方程。应用DFORM-HT的迭代计算方法,计算了三维传热情况下2A14铝合金与换热介质的换热系数。将高温变形本构方程、蠕变本构方程、换热系数应用到ABAQUS有限元软件,建立了热处理过程中2A14铝合金残余应力演化模型,实现了残余应力的演变过程的描述,分析各因素对淬火残余应力消减行为的的影响。分析表明,淬火残余应力随着淬火速率的降低而降低;时效过程中淬火残余应力逐渐下降,在时效初期下降较快、后期逐渐趋于稳定;在反淬火过程中,随着高低温介质的温差和高温介质的换热系数的增大,残余应力消减率提高。随着反淬火循环次数的增加,残余应力消减率逐渐增大;反淬火循环次数在3~4次最佳,继续增加次数无显著效果。采用XRD和裂纹柔度法测试了不同热处理态的残余应力,测试结果与模拟结果的最大偏差在11.2~15.7%内,说明本文建立的残余应力仿真模型准确可靠。对2A14铝合金板材淬火残余应力的消减工艺进行了研究,系统地表征了不同消减工艺下板材的残余应力、力学性能、微观组织以及尺寸稳定性。研究表明,淬火冷却速率对残余应力有重要的影响,降低淬火速率可使体残余应力明显降低,但同时-会导致力学性能的下降。沸水淬火时,合金中发生第二相析出及快速长大,合金的时效强化效果降低。与20℃水淬相比,经80℃水淬后,2A14铝合金板材的淬火残余应力降低73.7%,而强度仅降13%。反淬火和冷热循环处理可消除23~40.7%的淬火残余应力,而合金的力学性能无明显变化、微屈服强度有轻微提高。2A14铝合金的尺寸稳定性主要与残余应力的大小有关,残余应力越低,材料的尺寸稳定性越好。建立了2A14铝合金构件构件淬火残余应力的模压消减工艺有限元仿真模型。分析了模压量、摩擦系数、模具型面、材料时效状态对残余应力消减效果的影响。对于本文研究的构件,经2%模压取得最好的残余应力消减效果;降低构件与模具间的摩擦系数、保证构件各部分发生均匀压缩以及在固溶淬火态实施模压,均有利于残余应力的消除。采用轮廓法对淬火态及模压态构件的构件的残余应力进行测试,测试结果与模拟结果吻合较好,构件心部等典型位置预测误差小于12.2%,表明本文建立的有限元仿真模型准确可靠。

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