采用圆环三角试样评价材料的尺寸稳定性

顾开选, 王凯凯, 郭 嘉, 翁泽钜,3, 王俊杰,3

(1.中国科学院 空间功热转换技术重点实验室, 北京 100190； 2.首钢集团有限公司技术研究院, 北京 100043； 3.中国科学院大学, 北京 100049)

航空零部件具有尺寸大、结构复杂、加工去除量大等特点，加工完成后的零部件变形严重，直接导致产品合格率低、生产成本高、产品交付困难等问题，严重阻碍了我国空天力量的快速稳健发展[1]。宇航精密构件的微变形导致仪器导航、定位精度出现偏差，高档机床零部件的变形导致机床整体精度下降过快等问题，均是由于关键核心零部件在服役条件下或者加工后自然条件下的宏观尺寸变化所导致的[2-3]。

一般认为，金属材料尺寸的自发变化是以下两个因素的结果：①材料的相与组织的不稳定性；②在各种热加工与冷加工工艺过程中以及在机械装配操作时，零件中的残余应力及其松弛[4-5]。国外对于尺寸稳定性问题的研究起步较早，前苏联对精密机械制造与仪器制造中金属与合金的尺寸稳定性开展了系统的研究，20 世纪70 年代初便制定了金属材料尺寸稳定化处理工艺国家标准，而我国在这方面的研究不够系统深入，其中的一个主要原因是尺寸稳定性评价方法不健全[6]。

从宏观变形层面对尺寸稳定性进行表征是一种较为直观的手段，前苏联学者[4]提出的奥金格圆环试样方法就是通过对开口后的圆环采用楔形块加载，根据卸载后缺口尺寸与原始状态的缺口尺寸之差来检测尺寸稳定性。在此基础上，国内学者孙东立等提出了圆环开口法，通过开口后的尺寸变化来对试样的尺寸稳定性进行评价；武高辉等提出了一种冷热循环实时检测法，通过热膨胀仪来检测温度循环变化条件下材料尺寸的稳定性，其能够有效反映材料微观变化和应力松弛的耦合作用[6-8]。

但目前对于材料尺寸稳定性的评价还是缺乏快捷的、标准的评价手段，对于工业应用来说，最直观的评价方法是直接检测零件的外形尺寸，然而，对于处理工艺的优化或试验研究难以开展大批量的实际零件检测，况且零件种类繁多导致尺寸变化的规律性难以把握。因此，笔者提出一种圆环三角法对尺寸稳定性进行评价，通过对试样结构的设计使其能够精确反映材料尺寸的变化，从而为大批量的尺寸稳定化工艺研究提供支持。

1 试验方法

1.1 圆环三角试样设计方案

基于初始平衡残余应力的释放导致试样产生应变的原理，考虑到圆环开口法试样上残余应力的分布比较均匀，开口后引起的应变较小，从而影响测量精度。因此，该方案是在一个圆形试样中心开一个三角形的槽从而获得尺寸不均匀的试样。此外，为了试样方向便于控制、线切割固定方便，在圆环外侧加工出两个平面。在此基础上设计了如图1所示的圆环三角试样，该试样具有壁薄(厚度5 mm)、形状不规则、截面变化大等特点，不同工艺处理后，试样不同位置残余应力分布不均匀，沿三角形底边切开后，残余应力释放将导致试样尺寸发生变化，通过角θ及试样两侧面平行度开口前后的变化来评价试样的尺寸稳定性。

图1 圆环三角试样尺寸示意图Fig.1 Diagram of ring triangle specimen size

1.2 试验材料

为了对上述试样的有效性进行验证，采用航空领域广泛应用的7050铝合金作为试验材料，通过深冷处理技术与固溶时效相结合的方式对7050铝合金进行处理，研究不同工艺对试样尺寸稳定性的影响。7050铝合金原材料为轧制板材，化学成分如表1所示，原材料经过长时间[>5 a(年)]自然时效，残余应力得到充分释放。

表1 7050铝合金的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 7050 aluminum alloy (mass fraction) %

1.3 试验步骤

圆环三角法的具体试验步骤如下：①沿轧制方向加工出圆环三角形试样，圆环内部的三角形采用慢走丝线切割进行加工，保证加工表面平整；②对试样按照不同工艺进行处理：固溶处理(S)、固溶-时效处理(SA)、固溶-深冷处理(SC)、固溶-深冷-时效处理(SCA)和固溶-时效-深冷处理(SAC)，其中不同工艺具体参数如表2所示；③经过不同工艺的处理后待试样温度回至室温时立刻采用Future866型三坐标测量仪(测量精度2 μm)进行θ角度检测并记为θ0；④采用线切割沿三角形底部边缘切开，切割过程中保证不同试样切割位置一致，试样装卡需要避免x和y方向上受力，切割过程中应充分冷却避免切割热应力，线切割完成后立即检测θ′角度，通过θ角的变化Δθ=θ0-θ′和试样两侧面平行度的变化来对不同工艺试样尺寸稳定性进行评价。每个工艺测试3个试样，取平均值作为最终结果。

表2 工艺编号及工艺参数Tab.2 Process number and its parameters

1.4 淬火残余应力模拟

7050铝合金固溶淬火过程中容易产生较高的残余应力，这一残余应力在后续不同处理阶段的演化会直接影响到不同工艺处理后的圆环三角试样的尺寸稳定性。为此，采用ABAQUS有限元软件对圆环三角试样淬火后的残余应力分布情况进行计算，获得淬火后圆环三角试样的残余应力分布，为圆环三角试样的变形分析提供一定指导。计算模型为图1所示的圆环三角试样，固溶温度为465 ℃，淬火介质为20 ℃的水，材料的物性参数及表面换热系数参考MUAMMER等[9]的工作，计算采用顺序耦合法进行。

1.5 残余应力检测

为了结合残余应力的变化对尺寸稳定性进行分析，采用RS-200型高速涡轮钻孔设备，按照ASTM E837—13a《通过钻孔应变计测量残余应力的标准试验方法》进行检测[10]，获得不同工艺处理后的圆环三角试样残余应力分布。残余应力检测试样为50 mm的铝合金立方体，测试位置位于立方体表面中心位置。

2 试验结果与讨论

2.1 淬火态残余应力分布

在试样的各种处理方式中，淬火态下残余应力对变形作用较大，笔者主要对淬火态残余应力分布进行分析讨论。

7050铝合金圆环三角淬火后厚度方向上表面和心部残余应力分布如图2所示，其中S11为圆环三角试样x方向上的残余应力分布，从图中可以看出，淬火后试样表面残余应力数值为负数，表明产生压应力。而心部应力数值是正数，为拉应力。淬火冷却初始阶段圆环三角试样表层快速冷却收缩量较大，心部温度相对下降较慢收缩量较小，这就导致试样表层受到拉应力而心部受到压应力，随着冷却过程的继续进行，试样表层温度基本不变，收缩量较小，但心部由于冷却较慢继续收缩，这样就导致淬火试样表面产生了压应力而心部产生拉应力[11-13]。随着试样截面的变化，残余应力分布不均匀，可以看出，x方向残余应力在上下圆弧附近最大。y方向的残余应力(S22)同样呈现表面为压应力，心部为拉应力，沿着三角形两腰方向残余应力较大，且沿着底边方向残余应力呈现增大的趋势，残余拉应力达到了120 MPa左右，由于沿着两腰朝顶点方向试样的横截面尺寸不断增大，从而形成了对两腰侧底部较大的拉应力。淬火后圆环三角试样z方向上的残余应力(S33)几乎为0 MPa，由于圆环三角试样较薄(5 mm)，且沿厚度方向尺寸均匀，因此，在该方向上没有形成明显的残余应力分布。

图2 模拟得到固溶淬火态圆环三角试样在不同方向上的残余应力分布云图Fig.2 Residual stress distribution nephogram in different directions of ring triangular specimen treated by solution+quenched were obtained by simulation: a) S11-x direction surface residual stress distribution nephogram; b) S11-x direction central stress distribution nephogram; c) S22-y direction surface residual stress distribution nephogram; d) S22-y direction central stress distribution nephogram; e) S33-z direction surface residual stress distribution nephogram; f) S33-z direction central stress distribution nephogram

通过以上分析可以看出，圆环三角试样淬火后能够在试样内部沿x和y方向形成明显的不均匀残余应力分布，沿着三角形底边切开后，y方向上的残余应力将会得到明显释放，同时x方向上的残余应力也会得到一定释放，残余应力释放最明显的效果将会导致圆环三角的顶角角度和侧面平行度的变化。其中y方向的残余应力对变形起着主导作用，z方向上没有明显残余应力分布可以避免试样尺寸变化复杂导致难以精确测量变形的问题。经过不同的工艺处理后，圆环三角试样内部的残余应力分布不同，从而沿试样底边开口后所引起的变形将会存在差异。因此，通过开口后试样三角形顶角的尺寸和两侧面平行度的变化可以对试样的尺寸稳定性进行评价。

2.2 圆环三角尺寸稳定性

深冷处理技术是按照特定的工艺将材料或零部件置于-100 ℃以下的低温环境下，通过材料显微组织或残余应力的变化来实现材料性能的提升[14]。近年来，深冷处理在铝合金残余应力释放方面引起了广泛关注，研究表明深冷处理能够有效降低铝合金残余应力，提高尺寸稳定性[15-17]。然而，目前对于深冷处理工艺方面还未达成共识，研究表明上坡淬火通过对试样进行快速冷却和快速升温能够释放材料残余应力，然而对于大型复杂结构件难以实现升降温的均匀控制，目前并未得到广泛应用。通过缓慢升降温的冷热循环方法同样能够释放铝合金残余应力[18]，但处理工艺方面并未达成广泛共识，从而也制约了深冷处理技术的应用。

为了验证圆环三角方法的有效性，采用深冷处理与7050铝合金传统固溶时效相结合，探索不同处理工艺对圆环三角尺寸稳定性的影响，分别结合三角形顶角角度变化(Δθ)和试样两侧面平行度变化进行分析。从图3可以看出，固溶淬火态试样(S)开口前后角度变化最大，固溶态增加深冷(SC)或增加时效(SA)后开口角度变化均减小，而且两者减小幅度相当，固溶时效后增加深冷(SAC)开口角度变化进一步小幅度减小。然而，值得注意的是固溶深冷后增加时效(SCA)圆环三角开口前后角度变化明显减小。不同工艺处理后两侧面平行度的变化趋势和角度变化趋势基本一致，如图4所示。

图3 不同工艺处理后圆环三角试样开口前后角度变化Fig.3 Angle changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

图4 不同工艺处理后圆环三角开口前后平行度变化Fig.4 Parallelism changes before and after opening of ring triangle specimen treated by different processes

通过以上结果可以看出，固溶淬火态(S)由于快速冷却试样残余应力较高，SA是铝合金常规的处理工艺，时效过程一方面促进铝合金第二相析出，起到析出强化的作用，另一方面也能降低淬火残余应力。固溶后的深冷处理对铝合金难以起到常规时效的作用，但却能够释放淬火态残余应力，提高铝合金零件的尺寸稳定性，SAC能进一步释放铝合金残余应力，但其降低幅度较小，然而SCA能够显著提高铝合金尺寸稳定性。可以看出，深冷处理与传统热处理的不同结合工序对铝合金尺寸稳定性有着不同的影响效果，其中固溶后时效前增加深冷处理能够显著提高铝合金的尺寸稳定性。

2.3 铝合金残余应力分布

为了证实残余应力对尺寸稳定性的影响，考虑到圆环三角试样残余应力分布不均匀，测试位置的差异会造成检测结果差别较大，且采用盲孔法应变片难以贴到较为典型的位置，所以采用尺寸为50 mm的7050铝合金立方体来检测不同工艺处理后中心位置的残余应力变化。首先针对原始态(R)和固溶淬火态(S)试样进行了残余应力检测。由于原始材料自然时效5 a以上，试样内部残余应力几乎完全释放，x和y方向上的残余应力接近于0 MPa，且随深度增加均匀分布，如图5 a)和 b)所示，这在一定程度上也证实了测试结果的准确性。固溶淬火处理后立方体表面x和y方向均形成225 MPa左右的压应力，随着深度的增加压应力逐渐减小并有转变为拉应力的趋势。图5 c)和 d)对比了不同工艺处理后铝合金的残余应力分布，从图中可以看出，固溶时效处理(SA)后的残余应力相对于S态来说幅值有所减小，且分布相对较为均匀，SAC处理后表面压应力进一步减小，随深度的分布与SA相比变化不明显，然而SCA处理后残余应力幅值明显减小，且随深度的分布更加均匀。因此，可以看出，不同工艺处理后残余应力的变化与尺寸稳定性结果保持一致，其中固溶后时效前增加深冷处理试样的残余应力幅值最低、分布最均匀、尺寸稳定性最佳。该结果也充分说明了残余应力是铝合金尺寸稳定性的主要影响因素。

图 5 不同工艺处理后7050铝合金残余应力分布Fig.5 Residual stress distribution of 7050 aluminum alloy treated by different processes: a) residual stress distribution in x direction of S and R specimens; b) residual stress distribution in y direction of S and R specimens; c) residual stress distribution in x direction of SA, SAC and SCA specimens; d) residual stress distribution in y direction of SA, SAC and SCA specimens

3 结论

(1) 圆环三角试样固溶淬火后在试样内部形成明显的不均匀残余应力分布，且沿y方向的残余应力较高，该残余应力在试样切开口的释放对圆环三角试样顶角的变化具有重要的决定性作用。

(2) 7050铝合金固溶淬火后圆环三角开口前后顶角角度和两侧面平行度变化最大，说明其尺寸稳定性最差，时效和深冷处理均能提高淬火态试样尺寸稳定性，固溶后时效前深冷处理的铝合金尺寸稳定性最佳。

(3) 7050铝合金固溶淬火会产生较高的残余应力，固溶后时效前深冷处理能够有效降低铝合金的残余应力，并促使残余应力分布均匀化。残余应力分布与尺寸稳定性变化结果较为一致,说明圆环三角法能够从残余应力层面对材料尺寸稳定性进行有效评价。