振动时效对7075铝合金薄壁构件应力松弛的影响与分析

2019-01-23熊冠华朱家豪柳建安

振动与冲击 2019年1期

廖凯，熊冠华，朱家豪，陈辉，柳建安

(中南林业科技大学机电工程学院，长沙 410004)

振动时效(Vibration Stress Relief，VSR)工艺目前主要应用于黑色金属领域，使铸铁件和焊接件中应力集中的部位进行应力消减与均化，以达到工程所需的要求[1-2]。大型铝合金整体结构件存在着内部应力与表面应力分布的巨大差异，有着和黑金属结构件类似的情形，因此，可借助VSR方法对构件表面特征实施影响，研究其对材料表面的影响，如应力消减、表面硬化、形状尺寸稳定等。

学者对VSR在黑金属构件上的应用做了大量的研究，从宏观方面来看，VSR方法可用于改善金属性能，特别是改善机械性能和释放残余应力方面有着显著的效果[3-5]。其效果主要集中在材料屈服后的残余应力降低，例如通过时效来提高波纹管尺寸稳定性，降低残余应力[6]，以及对焊接件进行高频振动后的应力消减等[7-8]。Kwofie等[9-13]对钢焊接件、悬臂梁结构进行振动时效以消减应力，效果理想。Chih等[14]从钢的微观结构研究了振动时效对结构的应力消减和晶粒细化，认为偏心振动器具有这方面的优势，其成果对本文在有色金属上的微观实验研究提供了思路。

从微观方面看， Wang等[15-17]针对铝合金织构状况进行了振动时效下应力消减的有效性分析，提出了“Orientation of banding”应力消减理论，并认为材料在这个方向上应力消减明显，说明不同的材料组织状况在不同的振动工艺下，时效的效果会不同。吴运新等对铝合金厚板进行振动时效处理，研究了振动时效工艺过程，初步得出时效工艺参数对铝合金厚板的影响[18]。还有一些研究工作比较关注振动后材料微细观结构变化，例如晶粒取向的改变和旋转问题[19-20]。学者刘明显研究了通过超声波冲击消除铝合金焊接应力，并且从位错理论阐述了位错运动消除焊接残余应力的机理[21]。这些都说明VSR对材料表面特性的影响，其中位错理论是比较普遍接受的一种观点。综上，本文拟利用VSR的特点，对有色金属结构件进行相关时效实验，分析其对材料表面特性的影响。

1 实验

1.1 试样制备

实验材料为7075-T651高强铝合金厚板，铣削加工2块500 mm×104 mm×60 mm结构件试样，试样壁厚2 mm，底厚6 mm，形状如图1所示。

图1 铝合金薄壁构件

为了对比分析，对其中2#试样进行喷丸处理，以获得更大的表面残余应力，这样可以与1#铣削试样进行实验对比分析。喷丸设备为ST-1960，参照航空零件喷丸强化标准[22]，磨料选用石英砂丸，参数选用粒度直径0.5 mm，喷射强度0.3 MPa，垂直试样喷射距离为100 mm，喷口直径5 mm，100%表面覆盖。应力测试和TEM取样如图1中位置所指。表1为材料的力学属性。

表1 7075铝合金力学属性

1.2 调试与参数设置

VSR时效采用HK2000K1型全自动振动时效仪器。由于试样比较小，质量轻，且属于零件类，故选择在1 800 mm×1 000 mm×80 mm的铸铁平台板振动为宜。利用聚砂法确定板型振动的弱势区，即将细砂放置在平板上，当激振器开启后，砂子会聚集到一条直线上，这个直线位置振幅接近零(简称零线)。实验得到相邻零线位置930 mm，沿平台长度对称分布。随后将4个软垫置于零线附近位置，软垫长度相距1 000 mm，宽度500 mm。在调试中，将激振器置于上述相邻零线的中间、距离零线1/3以及置于平台横向的正中间3个位置上，分别逐渐加大激振力以获得最佳激振位置。最后，实验确定：零线位置始终不变，可将试样长度方向上的对称线对准其中一根零线放置，使试样沿对称线两侧正交受力。同时，激振器置于相邻两根零线中间位置时激振效果最佳。此时，激振器可调偏心角为40°，平台激振加速度为54.0 m/s2，在亚共振区振动，激振频率在114～116 Hz，振幅200～230 μm。图2为激振器及试样定位简图，试样由压板和螺栓装夹在振动平台上，保证振动时不会出现松动。

图2 激振器、平台及工件装夹示意图

由于本次实验是为了发现VSR对构件的作用效果，而材料表面的应力强度较黑金属残余应力要小，故在参考黑金属时效的基础上，选取30 min和60 min。VSR时效处理见表2。

表2 实验参数

1.3 测试

表面应力采用PROTO的X-ray表面应力测试分析仪获取，仪器误差±20 MPa。采用逐层腐蚀地对待测表面进行应力测试，以获得表面深度上的应力分布。位错采用TEM电镜观察，在如图1所示指定取样点进行取样，显微硬度在显微硬度仪进行。

2 结果与分析

2.1 动应力与表面应力

一般认为，材料的残余应力σr和动应力σd叠加之和大于屈服极限σs，才能使该处应力消减，即：

σr+σd>σs

(1)

对于薄壁件而言，材料内应力很低(±10 MPa以内)，故在交变应力作用下本文只考察材料表面变化情况。其中表面应力可以实验测得，动应力根据振动实测参数计算：铸铁平台在铝合金薄壁试样表面形成的最大动应力σd约为117.8 MPa。考虑其疲劳损伤，以及材料存在的不均匀性和微屈服强度不同于宏观屈服强度的特点，在实际中更多情况下采用残余应力σr和动应力σd叠加之和小于疲劳极限σ-1，即：

σr+σd<σ-1

(2)

7075T651材料疲劳极限约为230 MPa，而试样表面残余应力值为压应力，故可满足式(2)的要求。薄壁构件的动应力在疲劳极限要求下进行，不会对构件的疲劳损伤。薄壁试样由厚板铣削加工而成，其应力场分为内应力和表面应力，内应力分布约-5～8 MPa。相反，表面应力却很高，往往由于采用的工艺不同而出现上百兆帕。VSR前，对2个试样进行逐层腐蚀后XRD表面应力测试，获得表面应力分布情况，此处以沿试样长度方向分布为准，如图3(a)所示。材料表面都呈现压应力分布，喷丸强化作用下的试样2表面应力最大约-240 MPa，铣削加工的试样1表面最大约-80 MPa。

(a) XRD实测

(b) 包辛格效应

VSR过程就是材料表面残余应力与时效动应力叠加交变作用的过程。以试样2表面的σr=-240 MPa的应力取样点为例，表面交变应力σr±d=σr±σd，其范围尽管没有达到材料宏观屈服极限，但在动应力交变20万～40万次后，材料表面组织内就存在发生微观屈服的可能。如图3(b)所示为表面点在交变力作用下的包辛格效应演示，包辛格效应认为，在多晶体间的残余应力可以促使微观组织发生屈服。由于金属组织的不均匀性和缺陷程度在材料表面体现最明显，因此表面组织存在微观屈服强度低于宏观屈服强度的现象，这就可以解释在交变应力作用下，表面材料屈服点下降，以形成局部的链锁式屈服，发生表面应力释放。

如图4所示，证明了该区域应力松弛的存在，在时效30 min内，均有应力松弛，#1试样的应力峰值约从-82 MPa下降到-70 MPa，#2试样的峰值约从-240 MPa下降到-185 MPa，在时效60 min后，2个试样的峰值降幅速度减弱。图中右坐标为松弛率，60 min时效时间完成后，#1试样的最大表面松弛率22%，而#2号试样表面松弛率则达到32%。松弛率随表面深度的增加而减小，说明VSR对材料内部的影响效果在减弱。

(a) #1试样

(b) #2试样

由图4可知，VSR消减应力的程度并不完全取决于时间，更重要的是与初始应力和动应力的大小有关，图4中靠近表面处应力松弛越明显也说明了这一点。就实验结果来看：在最大动应力117.8 MPa条件下，时效30 min后，已经取得了较为理想的效果，首先，VSR方法能够降低材料表面残余应力峰值。第二，离表面越远应力变化越小，在80 μm深度以后几乎没有变化，间接说明是表面微观屈服或微变形造成了应力松弛。最后，压应力对提高材料疲劳强度有益，因此并不需要大量消减压应力，这与焊接件的焊缝应力需要大量削减性质不同。

2.2 XRD数据分析

应力松弛可以根据晶粒大小变化和微观应变的状况来分析，通过XRD数据分析，可以看到应力松弛的微观变化情况。运用Voigt方法可得到沿深度方向分布的柯西宽度和高斯宽度，并计算出相区大小和微观应变。以2#试样为例，数据分析后如图5所示，各曲线分别代表了构件：未加工表面—铣削—喷丸——VSR后的相区情况。图5(a)为晶粒大小沿层深的分布，图5(b)为层深上微观应变分布。

(a) 晶粒大小

(b) 微应变分布

经过VSR后，其相区改变状况正如前述分析的那样，30 min时效后，材料表面特性发生改变，表面晶粒被进一步细化，晶粒间形变增加。而随着时间的延长，在60 min后，相域状况的变化不明显，这就说明，在这一实验条件下，30 min时效时间对构件表面特性作用效果较好。

2.3 位错与硬化分析

VSR改变的不仅仅是材料的表面应力，在包辛格效应下，材料被加载-卸载-反向加载，使得表面组织内存在微观变形而应力松弛。这种微观变形的形式和原因主要有晶粒的滑移、晶界处位错塞积与开通。一般地，微观屈服强度与宏观屈服强度不同，前者往往由于晶粒缺陷和组织不均匀缘故而比后者要小。

微观变形如晶粒滑移变形带来位错的变化。对#1试样材料表面取样后进行TEM位错观察，如图7所示，位错密度在时效后逐步增大，在晶界处聚集。无论是铣削加工或是喷丸处理，材料表面都经历了塑性变形，在VSR作用下，原先在晶界处受阻的位错逐步增加，即位错增殖现象，造成在位错这类缺陷区域形成一定的应力集中。当交变应力能量聚集到一定程度时，总是能在一定取向上使位错开通，应力得到松弛，正如图4和图5所示。但在其它取向上，位错依然处于塞积，晶粒滑移加剧，形成滑移带，最终使晶粒碎裂而细化，形成更多位错，这就出现了材料中位错塞积和开通交互共存的现象。

图6(a)与(b)、(c)比较中可见，经过VSR时效后位错密度明显增大，而时效过长，例如60 min与30 min后比较，并无较大提高，延长时间对位错密度的增长并无帮助。这说明当晶界位错抗变形能力足以抵抗振动交变应力时，振动时间对时效效果的改善不明显。

如上所述，位错密度在晶界上塞积，客观上导致了此处变形抗力的增强，一定程度上也起到了硬化材料表面的效果。如图7所示，取#2试样表层20 μm和80 μm处4ⅹ4 cm区域，进行显微硬度测试后得到的二维云图。

图7(a)表示20 μm深度处中心区域硬度约为187 HV，时效后中心区域硬度提高到约为202 HV和205 HV。图7(b)表示80 μm深度处中心区域硬度约为181 HV，时效后中心区域硬度提高到约为196 HV和200 HV。结果说明VSR将材料表面硬度提高了10%左右。