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7055铝合金厚板淬火—预拉伸残余应力演变及预测研究

【摘要】:7xxx系铝合金具有高强、高韧及综合性能优异等特点,被广泛应用于航空航天领域。随着大规格整体结构件的发展与应用,高性能7xxx系铝合金厚板的需求日益迫切。铝合金厚板残余应力的控制是该领域的研究难点之一。本文以航空用超高强7055铝合金大规格厚板为研究对象,结合有限元模拟和实验测试,系统研究了残余应力分布与演变规律及其影响因素,研究了厚板残余应力表征方法,建立了厚板淬火残余应力分布预测综合方法,探索了不均匀淬火对残余应力的影响规律,为工厂大规格7055铝合金厚板淬火-预拉伸过程中残余应力控制提供可靠的参考。利用ANSYS有限元软件建立了 7055铝合金厚板淬火-预拉伸残余应力有限元模型。通过实验测试确定了 7055铝合金厚板的热物性参数,利用实验和反算法获得了淬火过程中的换热边界条件。研究了淬火残余应力分布及演变规律,淬火残余应力为"外压内拉"分布,拉压转换点位于四分之一厚度位置,厚板内为平面均匀应力状态,仅在厚度方向存在应力梯度。研究了预拉伸对残余应力分布的影响规律,应力消减率随着预拉伸量的增大呈先迅速增大后缓慢增大的趋势。7055铝合金厚板残余应力实验测试与数值模拟综合研究表明:对不同宽度厚板表面应力的测试结果显示出,采用钻孔法与X射线衍射法均具有较好的稳定性和准确性;X射线衍射法表面应力测试结果与有限元模拟结果吻合较好,中子衍射法内应力测试结果与有限元模拟结果基本吻合,验证了有限元模型的准确性;对不同淬火介质参数的厚板进行残余应力表征,采用钻孔法和裂纹柔度法测得的表面应力水平吻合较好,裂纹柔度法内应力测试结果与有限元模拟基本吻合,验证了裂纹柔度法测试的准确性。由此,提出了表面应力测试方法优选原则,建立了基于钻孔法、X射线衍射法和裂纹柔度法的7055铝合金厚板小规格试样残余应力综合表征方法。研究了淬火介质参数对换热系数的影响规律:随着水温或PAG浓度的升高,换热系数水平逐渐降低;随着喷淋水流量的升高,换热系数水平逐渐升高;各淬火介质的换热能力顺序为1 0%NaCl+KNO3溶液20℃水13.76L/min喷淋15%PAG溶液。研究了淬火介质参数对7055铝合金厚板淬火残余应力的影响规律:随着水温的升高,淬火残余应力逐渐降低;随着PAG浓度的升高,淬火残余应力逐渐降低;在各淬火介质参数下7055铝合金厚板淬火残余应力水平为10%NaCl+KNO3溶液20℃水5%PAG溶液。系统研究了尺寸因素对7055铝合金厚板淬火残余应力的影响规律。尺寸因素对应力水平的影响规律为:当长度和宽度较小时应力水平存在峰值,当长厚比和宽厚比均6时,应力水平趋于稳定。尺寸因素对应力分布的影响规律为:应力水平随着长度的增大基本不变,但波动区域比例逐渐减小;随着宽度的增大,应力水平与波动区域比例均逐渐减小;随着厚度的增大,应力水平与波动区域比例均逐渐增大。提出了长向和宽向残余应力分布预测方法,通过该方法和5×5×1模型的长向和宽向淬火残余应力分布,可预测x×y×1模型的长向和宽向淬火残余应力分布,其中x≥y≥5。通过对不同宽度7055铝合金厚板表面淬火残余应力的测试与模拟研究,验证了长向和宽向应力分布预测方法是可行的。通过研究不同厚度和不同淬火介质参数厚板的厚向应力分布函数和心部应力水平预测模型,建立了厚向淬火残余应力分布预测模型。结合长向和宽向应力分布预测方法以及厚向应力分布预测模型,建立了 7055铝合金厚板淬火残余应力分布预测综合方法,利用小规格试样淬火残余应力分布和大规格厚板表面中心点应力水平可预测大规格7055铝合金厚板淬火残余应力分布。研究了不均匀淬火对7055铝合金厚板残余应力分布的影响规律:当厚板上下表面不对称淬火时,厚向应力分布介于上、下表面平均换热系数对应应力分布之间,中心两侧不对称,应力水平相当于上表面与下表面平均换热系数对应应力水平的平均值;同一表面不均匀淬火时,表面应力分布与不均匀换热系数分布类似,应力水平相当于平均换热系数对应的应力水平,而心部应力分布近似为均匀应力分布状态,应力水平相当于线性分布两极值的心部应力水平的平均值。大规格7055铝合金厚板表面淬火残余应力实测结果的分布线型与多段线性不均匀淬火残余应力分布线型相似。同时研究了预拉伸对不均匀淬火残余应力分布的影响规律,预拉伸对不均匀淬火的心部应力不均匀性具有调控作用,但对表面应力不均匀性无调控作用。

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