朱興林，蘇 光，馬秉馨，牛關(guān)梅

環(huán)形件殘余應(yīng)力測試與數(shù)值模擬

朱興林1,2，蘇 光1,2，馬秉馨1,2，牛關(guān)梅3

（1.河南工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南省金屬材料改性技術(shù)工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

針對薄壁類零件受殘余應(yīng)力影響而產(chǎn)生變形開裂，且殘余應(yīng)力研究手段少、實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用高等突出問題，基于Abaqus平臺建立了GH4169、TC4環(huán)件在冷卻過程中殘余應(yīng)力場的有限元模型，分析了環(huán)件冷卻過程中殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律；通過對比，模擬數(shù)據(jù)與殘余應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)分布規(guī)律一致，且誤差均小于30MPa。結(jié)果表明，所建立的應(yīng)力場預(yù)測模型能夠有效可靠地預(yù)測殘余應(yīng)力場的水平及分布狀態(tài)。

殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬；應(yīng)力測試；環(huán)形件

在金屬鑄造、鍛造、沖壓、擠壓、焊接、熱處理及各類切削加工過程中，工件均會由于受外力和溫度的影響而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在成形過程的各個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生、疊加及釋放，會導(dǎo)致工件內(nèi)應(yīng)力的重新分布，從而影響工件的形位精度和尺寸穩(wěn)定性，以及工件的疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力和裂紋抗性等，最終影響工件的使用性能和使用壽命[1-3]。因此，研究工件在成形過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、演化規(guī)律，并探索有效的殘余應(yīng)力測試方法以及殘余應(yīng)力控制技術(shù)，對于發(fā)展關(guān)鍵零部件近凈成形技術(shù)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

薄壁類零件，如空心傳動軸、環(huán)形零件、汽車覆蓋件等，壁薄易變形，在其熱處理、熱成形、機(jī)加工過程中往往又存在非常大的殘余應(yīng)力場[4, 5]。為了達(dá)到內(nèi)力平衡，殘余應(yīng)力發(fā)生松弛與再分布而導(dǎo)致構(gòu)件變形，破壞薄壁件的尺寸穩(wěn)定性，這也是金屬制造領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題[6]。目前國內(nèi)對殘余應(yīng)力精度、可靠性、穩(wěn)定性的研究需要大力推進(jìn)，多因素作用下多場耦合的加工變形的基礎(chǔ)理論也尚待建立。此外，應(yīng)力測試與控制技術(shù)均面臨諸多亟待解決的問題，如：測試誤差如何修正，測試穩(wěn)定性如何保證，不同幾何類型的試樣應(yīng)該采用何種測試方法等[7-9]。在殘余應(yīng)力預(yù)測方面，受限于計算機(jī)和有限元軟件的計算能力，如何建立更加精確可靠的殘余應(yīng)力場預(yù)測模型用于研究應(yīng)力變形和失效，是熱加工領(lǐng)域殘余應(yīng)力研究的重要內(nèi)容[10, 11]。

本文選取GH4169和TC4合金環(huán)件，對其在冷卻過程中的殘余應(yīng)力場進(jìn)行測試研究和數(shù)值模擬分析。結(jié)合薄壁類環(huán)形件冷卻過程中溫度變化特點(diǎn)，基于有限元軟件Abaqus建立環(huán)件冷卻過程的熱彈塑性模型，分析環(huán)件冷卻過程中的應(yīng)力變形及熱殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律。通過對比殘余應(yīng)力測試結(jié)果，探究有限元模型在殘余應(yīng)力預(yù)測上應(yīng)用的可行性。

1 殘余應(yīng)力的有限元模型

殘余應(yīng)力場的預(yù)測是涉及熱力學(xué)、相變動力學(xué)及彈塑性力學(xué)的復(fù)雜問題，難變形材料及其構(gòu)件熱處理時的溫度場與應(yīng)力場在空間與時間上均呈現(xiàn)非線性，因而難以用數(shù)學(xué)解析方法進(jìn)行求解。而數(shù)值解法中的有限元法能方便地處理任意復(fù)雜的形狀與邊界，亦可達(dá)到較高的精度，且現(xiàn)已有比較成熟的有限元分析平臺，故文中采用有限元法來建立殘余應(yīng)力場的預(yù)測模型。

1.1 數(shù)學(xué)描述

本文針對GH4169和TC4合金環(huán)件冷卻過程中的殘余應(yīng)力場進(jìn)行預(yù)測研究，涉及的溫度場應(yīng)滿足瞬態(tài)非線性熱傳導(dǎo)方程：

初始溫度邊界為：

同時，為簡化計算機(jī)編程，傳熱邊界條件采用下式：

1.2 殘余應(yīng)力預(yù)測模型的建立

三種冷卻條件為：GH4169空冷環(huán)件初始溫度為975°，介質(zhì)溫度為25°；GH4169水冷環(huán)件初始溫度為975°，介質(zhì)溫度為25°；TC4空冷環(huán)件初始溫度為900°，介質(zhì)溫度為25°。環(huán)件尺寸均為：Ф100×Ф60×20（單位：mm）。

表1 GH4169合金的熱物性參數(shù)

表2 TC4合金的熱物性參數(shù)

本文建立全尺寸環(huán)件模型，如圖1所示。為了簡化計算模型，作了如下假設(shè)：（1）材料為各向同性的連續(xù)固體介質(zhì)，具有等向硬化的彈塑性；（2）冷卻介質(zhì)溫度是恒定的；（3）冷卻過程中忽略不計組織應(yīng)力與溫度間的關(guān)系，即相變潛熱為0；（4）在冷卻處理前進(jìn)行了回爐處理，內(nèi)部無殘余應(yīng)力；（5）工件表面與冷卻介質(zhì)完全接觸且各處換熱系數(shù)完全相同。

有限元網(wǎng)格類型為C3D8T，單元數(shù)為12400，節(jié)點(diǎn)數(shù)為15004，模擬分析步類型為溫度-位移耦合分析。

圖1 環(huán)件冷卻過程有限元模型

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)件冷卻過程中的變形分析

圖2所示為GH4169空冷環(huán)件、水冷環(huán)件和TC4空冷環(huán)件冷卻前后環(huán)件放大10倍后的變形位移云圖。由于熱脹冷縮的原因，冷卻過程中環(huán)件尺寸收縮變小。由于冷卻方式和材料的不同，所以三個相同尺寸環(huán)件收縮的程度也不相同。從圖中可以看出，GH4169水冷環(huán)件的位移最大，TC4空冷環(huán)件的位移最小。GH4169空冷環(huán)件、水冷環(huán)件和TC4空冷環(huán)件最大、最小位移值如表3所示。

表3 環(huán)件位移數(shù)值及位置

2.2 環(huán)件冷卻后的應(yīng)力場

圖3所示為三個環(huán)件冷卻到室溫后的Mises應(yīng)力場分布。從圖中可以看出，GH4169環(huán)件水冷降溫速度最快，其應(yīng)力數(shù)值也最大，而TC4環(huán)件空冷降溫速度最慢，其應(yīng)力數(shù)值也最小。分布規(guī)律均為表層殘余壓應(yīng)力，心部呈殘余拉應(yīng)力。

圖3 冷卻結(jié)束后環(huán)件的Mises應(yīng)力場

2.3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析

為驗(yàn)證殘余應(yīng)力預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，采用盲孔法對GH4169、TC4環(huán)件層深2.5mm處徑向、環(huán)向殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，測試設(shè)備為Sigmar公司的ASMB2-8殘余應(yīng)力測試儀。測試點(diǎn)共八個，其中，A1點(diǎn)設(shè)為0°，A2為-45°，A3為-90°，A4為-135°，A5為-180°，A6為-225°，A7為-270°，A8為-315°，其分布如圖4所示。采用電火花打孔，設(shè)備為AQ55L電火花成型機(jī)。打孔直徑為2mm，深度為2.5mm。電火花打孔參數(shù)為：GH4169，脈寬=35μs，脈間=45μs，電流=5A，電極為銅棒，極性為正；TC4，脈寬=25μs，脈間=75μs，電流=5A，電極為鉬棒，極性為負(fù)。

圖4 合金環(huán)件及測試點(diǎn)分布圖

圖5 不同冷速下GH4169合金環(huán)件距表面深2.5mm處殘余應(yīng)力分布圖

圖6 同冷速下GH4169、TC4合金環(huán)件距表面深2.5mm處殘余應(yīng)力分布圖

對比三個環(huán)件不同熱處理制度下有限元模擬結(jié)果和盲孔法實(shí)測結(jié)果，如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可知：實(shí)驗(yàn)測試的平均值與模擬數(shù)據(jù)有很好的一致性，差值均在30MPa之內(nèi)。

表4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)論

基于Abaqus平臺建立了GH4169、TC4環(huán)件在冷卻過程中的殘余應(yīng)力場有限元模型，分析了環(huán)件冷卻過程中的變形及殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律。水冷冷卻速度快，對工件造成更大的溫度梯度，從而形成了較大的殘余應(yīng)力；同時，相同加工工藝及冷卻速度下，TC4環(huán)件內(nèi)部殘余應(yīng)力絕對值明顯低于GH4169環(huán)件的殘余應(yīng)力。另外，通過與殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測試的對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測試的平均值與模擬數(shù)據(jù)有很好的一致性，差值均在30MPa之內(nèi)。結(jié)果表明本文所建立的應(yīng)力場預(yù)測模型，能夠有效預(yù)測殘余應(yīng)力的水平及分布狀態(tài)，為金屬材料熱加工殘余應(yīng)力的研究提供了一種可靠、高效的研究手段。

[1] WITHERS P J. Residual stress and its role in failure[J]. Reports on progress in physics, 2007, 70(12):2211-2232.

[2] GAO H, ZHANG Y, WU Q, et al. Fatigue life of 7075-T651 aluminium alloy treated with vibratory stress relief[J]. International journal of fatigue, 2018, 108: 62-67.

[3] PANDEY V, CHATTOPADHYAY K, SRINIVAS N C, et al. Role of ultrasonic shot peening on low cycle fatigue behavior of 7075 aluminium alloy[J]. International journal of fatigue, 2017, 103:426-435.

[4] 余偉. 基于殘余應(yīng)力的航空薄壁件加工變形分析[D].南京：南京航空航天大學(xué),2004.

[5] 江小輝. 殘余應(yīng)力生成機(jī)理及復(fù)雜薄壁件加工精度控制方法研究[D]. 上海:東華大學(xué), 2014.

[6] PAN R, DAVIES C M, ZHANG W, et al. The effectiveness of cold rolling for residual stress reduction in quenched 7050 aluminiumalloy Forgings[J]. Key engineering materials, 2016, 716:521-527.

[7] LI Y, WU Y X, GONG H, et al. FEM and contour method study of quenching residual stress of 7050 aluminum alloy cross-shaped component[J]. Materials science forum, 2017, 4341(887): 89-95.

[8] RICHTER R, MULLER T. Measurement of residual stresses[J]. Experimental techniques, 2017, 41 (1): 79-85.

[9] ZHENG J H, PAN R, LI C, et al. Experimental investigation of multi-step stress-relaxation-ageing of 7050 aluminium alloy for different pre-strained conditions[J]. Materials science and engineering: A, 2018, 710: 111-120.

[10] CERUTTI X, ARSENE S, MOCELLIN K. Prediction of machining quality due to the initial residual stress redistribution of aerospace structural parts made of low-density aluminium alloy rolled plates[J].International journal of material forming, 2016, 9(5): 677-690.

[11] CERUTTI X, MOCELLIN K. Influence of the machining sequence on the residual stress redistribution and machining quality: analysis and improvement using numerical simulations[J]. International journal of advanced manufacturing technology, 2016, 83(1-4): 489-503.

TG115.5

A

2096–7772(2020)01–0015–05

2019-12-24

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（182102210259）

朱興林（1985―），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，主要從事宇航難變形材料精密塑性成形原理與技術(shù)研究。

（責(zé)任編輯呂春紅）