深冷處理對(duì)抗氫鋼薄壁構(gòu)件初始?xì)堄鄳?yīng)力及變形的影響*

尚逢祥 孔金星 李昀樺

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

抗氫鋼材料研制的薄壁構(gòu)件是核能和兵器等領(lǐng)域中的重要零部件。該類構(gòu)件由于形狀復(fù)雜、材料去除量大等原因，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生變形[1]。通常認(rèn)為，材料初始?xì)堄鄳?yīng)力是引起薄壁件加工變形的重要因素[2?3]。為減小初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)薄壁構(gòu)件加工變形的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用機(jī)械拉伸法[4]，自然時(shí)效法[5]、熱處理時(shí)效法[6]、振動(dòng)時(shí)效法[7]以及深冷處理法[8?10]等措施通過(guò)降低初始?xì)堄鄳?yīng)力來(lái)改善工件的加工變形。

深冷處理具有消除應(yīng)力效果明顯、對(duì)零件尺寸和形狀沒有限制等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了普遍應(yīng)用[11]。如魏娜莎[8]等基于X射線衍射法發(fā)現(xiàn)對(duì)35MnB合金進(jìn)行深冷處理，能夠降低試樣殘余應(yīng)力。Nabil Ben Fredj等[9]采用鉆孔法及X射線衍射法研究深冷處理對(duì)AISI 304不銹鋼殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明對(duì)經(jīng)過(guò)循環(huán)載荷的304不銹鋼進(jìn)行深冷處理，能夠降低試樣殘余應(yīng)力。張玉婷等[10]基于X射線衍射法發(fā)現(xiàn)深冷處理能夠降低W6試樣表面的殘余應(yīng)力。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用深冷處理降低試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力，并結(jié)合鉆孔法及X射線衍射法對(duì)深冷處理前后試樣的初始?xì)堄鄳?yīng)力進(jìn)行評(píng)估。由于鉆孔法只能測(cè)量試樣內(nèi)部有限點(diǎn)的殘余應(yīng)力，X射線衍射法僅能測(cè)量試樣表面殘余應(yīng)力。為更全面地獲得材料初始?xì)堄鄳?yīng)力信息，Prime M B等[12]在2001年提出了基于輪廓法的初始?xì)堄鄳?yīng)力評(píng)估方法，可獲得試樣多個(gè)位置截面上應(yīng)力分布全貌。本文所選用的抗氫鋼材料使用環(huán)境為高壓、高溫、臨氫環(huán)境，因此為保證其抗氫性能，通常采用較低的熱處理溫度進(jìn)行消應(yīng)力處理，但該溫度下難以有效降低材料初始?xì)堄鄳?yīng)力[13]。因此為實(shí)現(xiàn)抗氫鋼薄壁構(gòu)件的高精度加工，本文在常規(guī)時(shí)效熱處理的基礎(chǔ)上，采用深冷處理進(jìn)一步降低試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力?；谳喞▽?duì)深冷時(shí)效處理效果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合慢走絲加工去除材料，研究初始?xì)堄鄳?yīng)力釋放對(duì)工件變形的影響，上述研究將為抗氫鋼薄壁構(gòu)件加工變形控制提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣處理

試驗(yàn)材料為抗氫鋼，化學(xué)成分如表1所示。將?75 mm原始棒料，經(jīng)900 ℃加熱后鍛造成?135×18 mm的棒料，在1 050 ℃保溫2 h后經(jīng)水淬方式進(jìn)行固溶處理，首先加工成?120×12 mm，并采用線切割加工成?120×6 mm的試樣。

表1 抗氫鋼的化學(xué)成分（%）

1.2 時(shí)效處理參數(shù)

試樣熱處理在馬弗爐（德國(guó)納博公司產(chǎn)，型號(hào)為L(zhǎng)T15/11/B410）中進(jìn)行，深冷處理在深冷爐（山立公司產(chǎn)，型號(hào)為SL500）中進(jìn)行，深冷介質(zhì)為液氮。下文中將不同參數(shù)下深冷復(fù)合高溫時(shí)效處理簡(jiǎn)稱為深冷處理。

不同時(shí)效處理所用的工藝參數(shù)如表2所示，#1試樣為固溶處理后的初始試樣。#2試樣采用當(dāng)前生產(chǎn)中常用的350 ℃保溫4 h時(shí)效處理方式進(jìn)行處理。為降低直接深冷處理導(dǎo)致試樣開裂的可能性，將深冷處理安排在兩次常規(guī)熱處理中間，深冷處理所用的參數(shù)分別設(shè)置為?80 ℃、?130 ℃和?190 ℃。為了與#2試樣形成對(duì)比，#3～#5試樣兩次熱處理的溫度以及保溫時(shí)間總和與#2試樣一致。不同深冷處理參數(shù)下的試樣件數(shù)均為3件。

表2 時(shí)效處理參數(shù)

1.3 基于輪廓法的初始?xì)堄鄳?yīng)力測(cè)試

本文基于輪廓法對(duì)試樣進(jìn)行初始?xì)堄鄳?yīng)力的測(cè)試與評(píng)估[14]，及其主要步驟如下：

（1）切割試樣。如圖1所示，采用慢走絲切割機(jī)床（Sodick AQ400LS）從試樣中部進(jìn)行加工，平均切割速度為0.5 mm/min，切割所用的絲為銅絲，直徑為0.25 mm。由于應(yīng)力釋放，加工面將產(chǎn)生彈性變形。

圖1 試樣尺寸、加工面示意圖

（2）測(cè)量輪廓。采用接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Zeiss New Contura Vastxt）測(cè)量加工面的變形輪廓，測(cè)試步長(zhǎng)為0.2 mm。

（3）數(shù)據(jù)處理。將兩個(gè)加工面測(cè)得的輪廓值進(jìn)行平均并進(jìn)行擬合以消除誤差。（4）應(yīng)力重構(gòu)?；趶椥辕B加原理將擬合后的輪廓值作為位移邊界條件，將變形輪廓反方向施加到有限元模型上。對(duì)試樣進(jìn)行有限元分析，即可得到垂直于加工面的殘余應(yīng)力分布。

1.4 材料去除對(duì)薄壁件的變形的影響試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）試樣材料去除

在線切割加工中導(dǎo)線與材料之間產(chǎn)生的電火花會(huì)侵蝕材料，因而去除方式是非接觸式的；而傳統(tǒng)的機(jī)械加工由于較大的接觸力而導(dǎo)致局部塑性變形，從而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。同時(shí)試樣在線切割加工過(guò)程中會(huì)浸入溫度控制的去離子水中，從而將加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力降至最低[15]。因此本文基于慢絲加工對(duì)材料進(jìn)行去除，探究材料去除后殘余應(yīng)力釋放對(duì)薄壁件的變形影響。如圖2所示，y向?yàn)樵嚇友睾穸确较颍珹面為試樣面型測(cè)量面，同時(shí)也是后續(xù)試驗(yàn)的基準(zhǔn)面，B面為試樣去除面。沿y向?qū)υ嚇覤面進(jìn)行去除，總計(jì)去除3次，每次去除厚度約為1.6 mm，材料最終剩余厚度約為1.2 mm。試樣裝夾方案如圖3所示。

圖2 試樣去除方案

圖3 試樣裝夾圖

（2）試樣面型測(cè)量

試樣面型測(cè)試裝置如圖4a所示，激光探頭型號(hào)為KEYENCE CL-300，將探頭安裝自研平臺(tái)上并隨著主軸運(yùn)動(dòng)。如圖4b所示，在試樣上標(biāo)記n1、n2及圓心O點(diǎn)，測(cè)試時(shí)初始點(diǎn)為試樣圓心，并用激光探頭掃描n1、n2兩點(diǎn)是否在X軸和Y軸上，以保證同一試樣每次測(cè)量時(shí)處于同一位置。以圓心為中心點(diǎn)，對(duì)邊長(zhǎng)為130 mm的正方形柵格進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量速度為15 mm/s，測(cè)量步長(zhǎng)為2 mm，測(cè)量精度為0.5 μm。

圖4 試樣面型測(cè)量

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力重構(gòu)結(jié)果

圖5所示為數(shù)據(jù)處理后的#1～#5試樣加工面的輪廓形貌。由圖可知，5組參數(shù)下試樣的加工面具有相同的輪廓形貌特征，均為中間下凹、兩邊凸起，但其幅值大小不同，圖5a所示的未處理試樣的輪廓幅值為?0.07～0.07 mm，而其余參數(shù)下試樣的輪廓幅值均有所降低，在350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃2 h參數(shù)下試樣輪廓幅值降低最明顯，幅值為?0.04～0.03 mm，相比于#1未經(jīng)熱處理試樣，幅值降低了0.03～0.04 mm。

基于輪廓法測(cè)試殘余應(yīng)力的步驟，結(jié)合圖5所獲得的加工面輪廓數(shù)據(jù)和試樣尺寸建立有限元模型，最終重構(gòu)得到垂直于加工面的殘余應(yīng)力，即z向應(yīng)力σz。不同時(shí)效處理參數(shù)下試樣應(yīng)力重構(gòu)結(jié)果如圖6所示。由圖可知，#1～#5試樣中心部位的殘余應(yīng)力具有相同的分布特征，即試樣中心為殘余拉應(yīng)力，兩側(cè)為殘余壓應(yīng)力。相比于未處理試樣，熱處理和深冷處理后試樣的初始?xì)堄鄳?yīng)力分布梯度較小，中心部位最大殘余拉應(yīng)力由#1試樣的413 MPa減小至#2～#5試樣的287 MPa、380 MPa、170 MPa、328 MPa。深冷處理后的試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力均有明顯降低，在350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350℃ 2 h參數(shù)下試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力降低最為明顯。上述結(jié)果表明，不同參數(shù)主要影響試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力的幅值大小，而不改變?cè)嚇映跏細(xì)堄鄳?yīng)力的分布特征。

圖5 各深冷參數(shù)下試樣擬合輪廓

圖6 各深冷參數(shù)下試樣加工面應(yīng)力重構(gòu)結(jié)果

為深入了解5組參數(shù)下試樣殘余應(yīng)力的變化規(guī)律，從加工面分別選取距左邊緣1 mm、2.5 mm、4 mm位置處3條評(píng)價(jià)線，評(píng)價(jià)線選取位置如圖7a所示，其中L2線位于拉應(yīng)力峰值附近。由圖7可知，L1、L2、L3這3條線上應(yīng)力分布特性基本不變，都表現(xiàn)為兩側(cè)受壓應(yīng)力芯部受拉應(yīng)力；相比于未處理試樣，熱處理和深冷處理后的試樣殘余應(yīng)力均有所降低，其中#2與#4試樣應(yīng)力降低效果最為明顯。對(duì)L1線與L3線進(jìn)行分析，未處理#1試樣應(yīng)力幅值為?150～300 MPa，#2與#4試樣應(yīng)力幅值分別為?50～200 MPa、?150～100 MPa；對(duì)L2線進(jìn)行分析，未處理#1試樣應(yīng)力幅值為?100～300 MPa，#2與#4試樣應(yīng)力幅值分別為?50～200 MPa、?150～150 MPa。結(jié)果表明單一熱處理或深冷處理均能夠降低試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力。由L1、L2、L3線結(jié)果可知本次試驗(yàn)中參數(shù)350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h在4組試驗(yàn)參數(shù)中具有最優(yōu)消除應(yīng)力的效果，應(yīng)力幅值從?150～300 MPa下降到?150～100 MPa。

圖7 加工面上沿評(píng)價(jià)線應(yīng)力比較

2.2 變形結(jié)果分析

根據(jù)圖6、7可知，相比于未處理的#1試樣，經(jīng)過(guò)熱處理及深冷處理后的#2與#4試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力更低，因此選取#1、#2、#4這3組試樣用于探究殘余應(yīng)力釋放對(duì)試樣變形的影響。

將面型誤差定義為激光探頭所測(cè)面型與理想平面的差別。如圖8所示，3組參數(shù)下的試樣初始基準(zhǔn)面型均呈中心下凹形狀，初始基準(zhǔn)面型誤差均在±0.03 mm以內(nèi)。試樣沿厚度方向去除1.6 mm后，基準(zhǔn)面型分布特征與初始面型分布相反，呈現(xiàn)中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?0.1～0.08 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.06～0.06 mm、?0.04～0.02 mm。當(dāng)試樣再次去除1.6 mm時(shí)，各參數(shù)下試樣基準(zhǔn)面型分布與初始基準(zhǔn)面型分布相反，與第一次去除后試樣基準(zhǔn)面型分布相同，都呈現(xiàn)中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?0.15～0.15 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.15～0.1 mm、?0.1～0.06 mm。試樣第三次去除1.6 mm時(shí)，#1試樣面型呈馬鞍狀，#2與#4試樣呈中心外凸形狀，未處理試樣面型誤差為?1～1 mm，350 ℃ 4 h單一熱處理與350 ℃ 2 h、?130 ℃10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后試樣面型誤差分別為?0.5～0.2 mm、?0.4～0.2 mm。

圖8 試樣面型圖

將3次材料去除后獲得的試樣面型誤差與初始基準(zhǔn)面型誤差相減，獲得材料去除過(guò)程初始?xì)堄鄳?yīng)力變化對(duì)試樣變形的影響。第一次材料去除后未處理#1試樣面型變化幅值為?0.11～0.12 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為?0.06～0.08 mm、?0.04～0.03 mm。第二次材料去除后，未處理#1試樣面型變化幅值為?0.16～0.15 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為0.16～0.1 mm、?0.1～0.08 mm。第三次材料去除后，未處理#1試樣面型變化幅值為?1～1 mm，單一熱處理及深冷處理后的#2、#4試樣面型變化幅值分別為?0.5～0.2 mm、?0.4～0.3 mm。

為更準(zhǔn)確表示試樣面型誤差的變化，按照如圖9所示選取過(guò)圓心的L4與L5線作為評(píng)價(jià)線對(duì)試樣面型變化量進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比。

圖9 試樣面型變化評(píng)價(jià)線

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖10所示。第一次去除1.6 mm后，#1、#2和4#試樣產(chǎn)生的最大變形分別為0.12 mm、0.08 mm、0.04 mm；第二次去除1.6 mm后，#1、#2和4#試樣產(chǎn)生的最大變形分別為0.18 mm、0.14 mm、0.10 mm。隨著去除量的增加，試樣的面型變化量隨之增加；且相比于初始?xì)堄鄳?yīng)力較大的試樣，初始?xì)堄鄳?yīng)力較低的試樣面型變化量更小。第三次去除1.6 mm后，#1試樣變?yōu)轳R鞍形，#2、#4仍然保持中部外凸的形狀。據(jù)圖8、9所示，#1試樣內(nèi)部具有較大的殘余應(yīng)力，#2、#4試樣的初始?xì)堄鄳?yīng)力更小，因此馬鞍形的出現(xiàn)可能與試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力幅值大小存在一定相關(guān)性。

圖10 各試樣3次去除沿評(píng)價(jià)線面型變化

3 結(jié)語(yǔ)

（1）固溶處理后抗氫鋼材料初始?xì)堄鄳?yīng)力呈現(xiàn)芯部拉應(yīng)力、兩側(cè)為壓應(yīng)力的狀態(tài)，單一熱處理或熱處理復(fù)合深冷處理后抗氫鋼試樣的殘余應(yīng)力空間分布特性保持穩(wěn)定，與初始狀態(tài)一致，但是應(yīng)力幅值有效降低，相比于未處理#1試樣的殘余拉應(yīng)力峰值為300 MPa，經(jīng)過(guò)350 ℃ 2 h、?130 ℃ 10 h、350 ℃ 2 h深冷處理后的試樣殘余應(yīng)力可降低200 MPa，應(yīng)力消除率為66.7%。

（2）隨著材料去除量的增加，試樣的面型也隨之變化；材料去除越多，試樣產(chǎn)生的變形越大，#1試樣去除1.6 mm與3.2 mm產(chǎn)生的最大變形分別為0.12 mm、0.18 mm，#4試樣去除1.6 mm與3.2 mm產(chǎn)生的最大變形分別0.04 mm、0.1 mm。

（3）深冷與高溫的復(fù)合時(shí)效處理方法能夠有效的降低抗氫鋼薄壁平面構(gòu)件加工變形。相比于未經(jīng)熱處理試樣，經(jīng)過(guò)熱處理后的#2試樣和深冷處理后的#4試樣產(chǎn)生的變形更小，第一次去除1.6 mm后，#1試樣產(chǎn)生的最大變形為0.12 mm，#2、#4試樣分別為0.05 mm、0.04 mm，變形分別減小了0.07 mm、0.08 mm；第二次去除1.6 mm后，#1試樣產(chǎn)生的最大變形為0.18 mm，#2、#4試樣分別為0.12 mm、0.10 mm，變形分別減小了0.06 mm、0.08 mm。