摘 要:采用层削法测试了7050-T7451高强度铝合金航空板材的残余应力,对比了不同标准测试 方法的差异,研究了不同厚度板材残余应力的分布规律。结果表明:试样两端有沉孔和无沉孔对残余 应力的测试结果无明显影响;在板材不同宽度位置取样测得的残余应力无显著差异;厚度为20mm 及76mm板材纵向试样的表层为压缩应力区,次表层为拉伸应力区,心部为无应力或低应力区;厚度 为165mm板材纵向试样从表层到心部分别为拉伸应力区、压缩应力区、拉伸应力区、低拉伸应力区。
关键词:层削法;残余应力;航空板材;应力分布
中图分类号:TB31;TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)05-0020-05
对机翼、机身整体大梁、整体加强框、整体油箱 等构件采用整体结构设计,可以减轻飞机结构的质 量、提高飞机的整体性能[1]。航空铝合金厚板是飞 机整体结构制造的重要原材料,在进行轧制、热处理 等工序时,板材内部会产生残余应力。在加工过程 中,残余应力易使零件发生变形,甚至导致产品报 废。当具有较高残余应力的板材加工成结构件时, 结构件的应力腐蚀性能、静拉伸力学性能、断裂韧性 等均会受到影响。
厚板残余应力的测试方法包括机械释放法、无 损检测法、裂纹柔度法、纳米压痕法和激光超声波法 等[2-3],许多学者对这些方法进行对比分析,得到了 不同测试方法的优缺点及其适用范围。廖凯等[4]根 据弹性力学理论,运用现行积分形式建立起剥除层 残余应力与试样变形之间的关系,通过变形或者应 变反求应力,还原了厚板内部连续的应力变化,推导 出了应力求解积分形式。王树宏等[5]运用弹性力学 理论推导出了厚板内部残余应力测试的新方法,采 用该方法可以测试预拉伸铝合金7050-T7451厚板 沿厚度方向的残余应力分布。张延成等[6]运用弹性 力学理论推导出测试厚板内部残余应力的改进剥层 应变法,测试了2D70-T351预拉伸铝合金厚板沿厚 度方向的残余应力分布,并采用有限元分析技术模拟了该板材的应力分布,验证了该方法的准确性。 但目前国内学者提出的许多应力测试方法仍然停留 在试验阶段,并未形成相应的测试标准。
层削法在波音及空客公司的测试标准中都有运 用。波音公司的标准BMS7-323《高强度、耐疲劳、 抗应力腐蚀7050铝合金板》采用层削法测试航空板 材纵向试样的加工变形挠度,以挠度的大小判断产 品是否合格,并不计算试样或板材的残余应力。空 客公司的标准 AITM1-0040《金属板材残余应力测 量》采用层削法测试试样的加工变形挠度,然后计算 试样及板材内部的残余应力分布。笔者对不同标准 的残余应力测试方法进行研究,并对国内现有航空 板材的残余应力分布进行测试,分析了不同厚度板 材的应力分布规律。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
试样取自 7050-T7451 高强度铝合金航空板 材,表1为对应的试样尺寸参数。试样保留原始轧 制表面,去除加工时,铣刀盘直径为66mm,最大进 给速率为2000mm/min,转速为3000r/min,粗加 工单次进刀量为1mm,精加工进刀量为0.3mm。 共采用两种试样类型,一种是有沉孔的试样,一种是 无沉孔的试样。
1.2 试验方法
参照 BMS7-323及 AITM1-0040标准,残余 应力测试的主要过程为:将试样放置到支撑架上, 以试样底部的轧制表面为参考平面,试样上部的 轧制表面为铣削平面,在参考平面中心点法向固 定千分表,测试参考平面的挠度,试样初始厚度处 的千分表指针设为零点;随后逐层铣削试样的铣 削平面,每道次铣削试样总厚度的1/20,直至试样 厚度为原始厚度的一半(部分试样超过一半厚 度);每次铣削一层试样厚度,将试样放置到最初 的测试位置,测试参考平面中点的挠度;最终将测 得试样所有道次的厚度和挠度代入应力计算公 式,计算试样的残余应力。
2 试验结果
2.1 有沉孔与无沉孔试样的测试结果
将厚度为76mm的B组板材加工成29个纵向 试样,分别编号为 BL1~29,其中试样 BL3、BL8、 BL21不加工沉孔,试样BL4、BL9、BL22加工沉孔。 图1为有沉孔与无沉孔试样的应力测试结果。由图 1 可 知:有 沉 孔 试 样 的 平 均 最 大 拉 伸 应 力 为 13.9MPa,平均最大压缩应力为-13.6MPa;无沉 孔试样的平均最大拉伸应力为13.8MPa,平均最大 压缩应力为-13.2MPa。有沉孔和无沉孔试样测 试结果的差值与平均值之比小于3%,说明试样的沉孔对测试结果几乎无影响。
2.2 板材不同宽度位置的拉伸和压缩应力
图2为 B组板材不同宽度位置试样的最大拉 伸和压缩应力。图3为 B组板材不同宽度位置试 样最大拉伸和压缩应力在厚度上的位置。由图2,3 可知,厚度为76mm 板材的整个宽度范围内,平均 最大压缩应力为-14.0MPa,位于板材12mm 和 64.2 mm 厚 度 位 置;平 均 最 大 拉 伸 应 力 为 13.4MPa,位于板材26.8mm 和49.4mm 厚度位 置。图2中虚点均为从残余应力与板材厚度规律性 较差的试样曲线获取的数据,观察将虚点排除后的 曲线,可见板材不同宽度位置的最大压缩应力与最 大拉伸应力具有较好的一致性。
B组板材中试样BL1、BL2、BL3、BL27、BL28、 BL29的取样位置为板材边缘,试样 BL13、BL14、BL15、BL17、BL18、BL19的取样位置为试样中间宽 度位置,对板材边缘和中间宽度的试样在厚度方向 的残余应力进行测试,结果如图4,5所示。由图4, 5可 知:板 材 边 缘 试 样 的 平 均 最 大 拉 伸 应 力 为 12.1MPa,平均最大压缩应力为-14.2MPa;中间 宽度试样的平均最大拉伸应力为13.8MPa,平均最 大压缩应力为-13.5MPa。
2.3 板材试样不同厚度位置应力分布
对板材中部试样BL13不同厚度位置的应力分 布情况进行测试,结果如图6所示。由图6可知:板 材表层为压缩应力,该应力随厚度增加逐渐增大,在 66.9mm厚度位置达到峰值,随后压缩应力减小, 在板材厚度约为57.5mm 位置应力减小到0,残余 应力转变为拉伸应力,拉伸应力在板材47.8mm 厚 度位置达到峰值;随厚度继续增加,拉伸应力逐渐减小,在厚度为40.2mm位置再次减小到接近于0。
B组板材纵向试样应力沿厚度分布情况如图7 所示。由 图 7 可 知:板 材 纵 向 试 样 厚 度 为 0~ 19mm(A区)以及厚度为57~76mm(D区)位置 为压缩应力区,A区和D区是压缩应力从低到高再 降为0的单一应力起伏区,平均压缩应力峰值为 -14MPa,位于板材两侧轧制表层下方12mm厚度 位置;板材纵向试样厚度为19~57mm位置为拉伸 应力区,包括两个拉伸应力起伏区(B区和C区)以及 3,4点之间的低应力区,B区和C区的平均拉伸应力 峰值为13.6 MPa,分别位 于 板 材 的 26.8 mm 和 49.4mm厚 度 位 置,低 应 力 区 的 最 小 应 力 为 2.2MPa;在压缩应力峰值向拉伸应力峰值的过渡区, 板材试样的残余应力与厚度具有良好的线性关系。
图8为厚度为20mm的 A组板材纵向试样的 应力分布曲线。从图8可知:试样表层为压缩应力 区,峰值位于试样的表面;随着厚度增加,压缩应力 逐渐减小,在板材试样厚度约为17.7mm 位置,压 缩应力减小为 0,然后变为拉伸应力;在厚度为 14.6mm 位置,拉伸应力达到峰值,随后拉伸应力 逐渐减小,并在厚度约为12mm位置应力再次减小 到0;在板材试样厚度心部区域为无应力或压缩应 力区,试样 A1心部区域的压缩应力极小,接近于0, 试样 A2心部区域的压缩应力约为-4.4MPa。
图9为厚度为165mm的C组板材纵向试样的
应力分布曲线。由图9可知:试样表层为拉伸应力
区,峰值在板材试样表面;在厚度约为152.6mm 位
置拉伸应力变为0;随后应力变为压缩应力,在厚度
约为136mm位置,压缩应力达到峰值;随着厚度增
加,压缩应力逐渐减小,在深度为108.2mm 位置,
压缩应力变为0,随后应力变为拉伸应力;在厚度为
102.8mm 位置,拉伸应力达到峰值,然后逐渐减
小,在 厚 度 为 86.2 mm 位 置,拉 伸 应 力 减 小
到5MPa。
图10为不同厚度板材试样的应力区域分布及 所占 全 厚 度 的 百 分 比。由 图 10 可 知:厚 度 为 20mm及76mm板材纵向试样的表层为压缩应力 区,次表层为拉伸应力区,心部为无应力或低应力区;厚度为165mm的板材纵向试样,从表层到心部 分别为拉伸应力区、压缩应力区、拉伸应力区、低拉 伸应力区;厚度为20,76,165mm 的板材纵向试样 在一半厚度上拉伸应力区与压缩应力区宽度的比例 分别为2.5,1,1.3。
3 综合分析
3.1 层削法的试样类型
BMS7-323标准采用长条形试样,测试试样在 铣削掉不同厚度的材料之后,参考平面中心点在一 定支撑距离下的变形挠度。不同厚度板材试样在所 有加工道次完成之后,所有单层加工的最大变形挠 度以及所有道次总加工的最大变形挠度应不超过标 准要求。该标准将纵向试样参考平面中心点的变形 挠度作为判断板材是否合格的判据。相对于其他标 准,该标准实际运用的可操作性更强。
AITM1-0040标准同样采用长条形试样,试样 两端不加工沉孔,铣削试样时,只能从侧面夹持试 样。测试参考平面所用的支撑距离比BMS7-323标准要求的支撑距离更长。该标准提供了完整的残余 应力计算公式。此外,该标准计算板材的残余应力 需要横向和纵向两个方向的试样同时进行测试,如 果只测试一个方向的试样变形挠度,只能得出试样 在该方向不同厚度的残余应力,不能得出板材在不 同厚度下的残余应力。
3.2 层削法试样的加工
层削法在测试试样残余应力时,需要逐层铣削 掉一部分厚度,因此需要考虑试样加工过程中的夹 持问题。BMS7-323标准要求试样在支撑距离外加 工两个沉孔,用螺栓将试样固定在加工基座上,使试 样固定更为牢固,铣削时不易发颤,更容易保证试样 长度范围内厚度铣削均匀。AITM1-0040标准要 求保持整个长条形试样的完整性,试样不加工沉孔, 加工时夹钳从侧面夹持试样,该方法产生的内应力 会导致试样发生轻微变形,且侧面夹持难以保证试 样铣削面为平面,铣削后试样的厚度略有差异,其次 夹钳通常比较短,只能夹持试样中段长度,试样两端 悬空,加工时试样易发生颤动。
在试样两端加工沉孔,在测试时会造成应力释 放,理论上会改变试样应力分布。但根据实际测试 结果可知,有沉孔和无沉孔试样测得的残余应力没 有明显区别,说明沉孔造成的应力释放对测试结果 的影响极小,因此可以用有沉孔试样测试残余应力。
4 结论
(1)用层削法测试残余应力,试样两端有沉孔 和无沉孔对测试结果无明显影响,可以用有沉孔试 样测试残余应力。
(2)厚度为20mm 及76mm 板材纵向试样的 表层为压缩应力区,次表层为拉伸应力区,心部为无 应力或低应力区;厚度为165mm 板材纵向试样从 表层到心部分别为拉伸应力区、压缩应力区、拉伸应 力区、低拉伸应力区。厚度为20,76,165mm 试样 在一半厚度上,拉伸应力区与压缩应力区的宽度比 分别为2.5,1,1.3。
(3)板材在不同宽度位置测得的残余应力没有 显著差异。为与标准保持一致性,建议从板材中间 宽度取样。
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