航空铝合金残余应力消除及评估技术研究-机械制造及自动化专业论文.docxVIP

浙江大学博士学位论文摘 浙江大学博士学位论文 摘 要 7000和2000系列变形铝合金具有优良的力学性能与加工性能等，因此广泛 地用作各种军用与民用飞机的主要结构材料。航空铝合金为了获得高强韧性，必 须进行固溶与时效处理，在淬火过程中产生很大的淬火残余应力。残余应力直接 影响航空铝合金结构件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性与使用寿命， 并导致后续机械加工过程中，由于材料内部的残余应力的释放，容易产生很大的 加工变形。因此，研究航空铝合金残余应力控制与消除技术是极为重要的。本论 文的研究工作，主要有以下几个方面： 1．研究了铝合金构件内部残余应力的测试与评估技术。首先概述了国内外 残余应力测试技术的研究历史与现状，在此基础上，分析了逐层钻孔法、x射线 法测量航空铝合金结构件表层残余应力的原理与方法。其次，基于线弹性断裂力 学原理，研究了一种被称为裂纹柔度法的残余应力测试新技术，详细分析了其测 定原理、方法与实验装置。实验测定了7075铝合金板材在T73、T7351、T7352、 T7353状态下的全厚度残余应力分布规律。研究结果表明它比逐层钻孔法及x射 线衍射法具有更好的敏感性与精确度。 2．对7075铝合金板材与隔框模锻件的淬火残余应力进行了理论分析与实 验研究。首先针对铝合金板材淬火过程的特点，建立了铝合金板材淬火过程的 (热)弹塑性力学模型，推导了7075铝合金构件淬火过程瞬态温度场、应力场 与残余应力场的计算方法，并在大型有限元软件ABAQUS、ANSYS上实现了7075 铝合金板材与某飞机隔框模锻件淬火过程中温度场与热应力场的数值模拟，以及 淬火残余应力形成和分布情况。进行了7075铝合金淬火时效热处理试验，并测 定了7075铝合金试样在T73工艺状态、AQ工艺状态以及100E．250℃高温条件 下的机械性能，残余应力实验结果与模拟结果对比具有很好的一致性。 3．研究了机械法消除铝合金残余应力的理论与方法。首先概述了国内外机 辕拉馋法(Txx5I)、摸蓬法(Txx52)与挨整压法(Txx54)黥疆突瑗凌；其次， 建立了机械法消除铝台金板材残余威力的弹塑性力学模型，采用数值模拟方法系 统分析了机械拉伸(横压)变形量、分段模压时的熏叠区域等关键工艺参数对残 余应力满除效果的影响。研究结果淡明：枫槭拉律法(Tx51)魁简单形状零传消除 残余应力酌理想方法，仅1．蕊永久拉伸变形鲞就基本清除了7075铝舍龛板奉孝 中的淬火残余应力，似需4．0％永久拉伸变形量才能完全消除残余应力。而模压 时重叠区域愈大，消除残余应力效聚愈好。 4，萋凳究了深冷熟爨(T7x53)法漩狳锯合会残余应力夔壤论与方法。藏先 概括了豳内外深冷处璇(T7x53)法消除铝合金娥余应力的研究概况；其次，在 浙江大学博士学位论文理论分析与实验研究的基础上，对传统的深冷处理工艺进行了重大改进，提出了 浙江大学博士学位论文 理论分析与实验研究的基础上，对传统的深冷处理工艺进行了重大改进，提出了 一种被称为“反淬火法”的深冷处理新工艺。通过制作铝合金试样进行试验研究， 将铝台会构件浸入液氮中深冷后，采用一种特制的QCW-Ol型有机介质进行“反 淬火”，从而消除7050铝合金试样的残余应力。有关实验证实：该新颖深冷处理 的残余应力消除率达到58％，远远高于传统深冷处理工艺(沸水急热)时的应力 消除率。采用x射线衍射残余应力测定法、电导率涡流检测技术与拉伸试验相结 合来评价铝合金深冷处理后的抗应力腐蚀性与机械性能等质量指标。探讨了深冷 处理若感干关键工艺参数，最后得到了在兼顾满足机械性能要求前提下取得最佳 应力消除效果的最佳深冷处理工艺。并已制订成深冷处理工艺操作规范交付成都 飞机工业集团公司。 5．探讨了残余应力释放引起加工变形的机理及其衡量标准。众所周知，工 程构件中的残余应力易引起加工变形，但对于如何衡量残余应力大小与分布对加 工变形的影响尚缺乏统一的判断依据。为此，讨论了7075铝合金板材在T73、 T7351、T7352、T7353状态下的“残余应力幅度”与“残余应变能密度”。指出： “残余应变能”越大，残余应力释放引起的变形量也越大，但两着之间并不存在 简单的线性关系。航空结构件加工变形还与几何形状、残余应力分布、机械加工 工艺参数等许多因素有关。对于初始残余应力很高的7075T73或者7050T74铝 合金板材与各种铝合金模锻件，毛坯初始残余应力释放是产生加工变形的主要原 因：而对于残余应力水平很低的7075T7351与7050T7451预拉伸板材，机械加 工中的切削力与切削热是引起的加工变形更大。 本文的研究工作得到国家自然科学基金(项目号、国防型号工 程(项目号：OO．1810-0785)与教育部博士点基金的资助。 关键词：铝合金