CN103488850B - 一种热振复合残余应力定位均化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种热振复合残余应力定位均化的方法，包含以下步骤：（1）基于工件材料的微观组织，建立细观几何模型；（2）检测工件的三维残余应力场；（3）依据（2）对（1）进行匹配，得到细观力学模型；（4）对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系；（5）对工件进行振动时效分析，选取合适振型；（6）依据残余应力松弛条件及位错改变规律，确定合理的激振力；（7）对热-振复合时效进行仿真，优选热时效温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数。（8）利用（7）的参数对工件进行残余应力均化。本方法实现工件残余应力的定位松弛与全面均化，以便获得加工变形小、服役尺寸稳定和高疲劳寿命的工件。

Description

一种热振复合残余应力定位均化的方法
技术领域
本发明涉及一种热振复合残余应力定位均化的方法，它是一种利用热和振动的复合效应消除残余应力的方法，用来实现工件残余应力的松弛与定位均化。本发明属于机械制造中的非传统加工工艺和可持续制造领域。
背景技术
随着国民经济的稳步发展以及科技进步的需要，以航空航天为代表的先进制造领域对产品的性能要求越来越高。然而飞机采用的大型整体薄壁结构件在机械加工过程中往往会出现加工变形超标问题，直接导致工件报废、工期延误等不良后果；航空发动机上一些热端关键件在高温和振动的工作条件下，也会产生较大的服役变形，直接影响零件的工作状态和使用寿命；而航天关重件因为性能需要，成本昂贵，若因变形而报废，则损失巨大。科研结果表明，导致这些问题的首要因素为毛坯中的残余应力。
目前，企业上消除残余应力的主要方式为热时效和振动时效。
热时效是指通过对工件进行加热、保温以及冷却处理，使材料在温度场的作用下将残余应力释放、降低和均化。热时效实践应用广泛，应力均化效果明显，然而却存在周期长、成本高和温度控制不当易产生二次应力的问题。
振动时效通常是指通过振动工件产生动应力，当其与残余应力叠加超过材料屈服极限时，材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化。世界各国从上个世纪60年代开始对振动时效的机理和工艺进行研究，其特点体现为成本较低、周期短并且节能。与热时效比，振动时效体现逐渐替代的趋势，然而振动时效技术在应用的过程中，遇到以下一些困扰：
（1）工件或毛坯三维残余应力场的获取受限于现有检测技术的发展，由于中子衍射设备极其昂贵稀缺，用来检测三维残余应力的方式难以推广，其他检测方法（如应变片法、盲孔法等）均难以直接实现三维检测。而借助有限元方法进行宏观建模仿真，得到的结果与工件实际的残余应力分布状态有一定的区别。因此难以获取三维残余应力场的问题阻碍着振动时效的应用和分析。
（2）振动时效设备在作用工件前缺少直观的效果分析作为指导。例如，因操作者对激振频率和振型掌握不够深入，在选择振动时效的工艺参数时受到经验所限，工件关心位置残余应力的振动时效均化效果不甚理想。
（3）振动时效的作用效果存在局限。例如，铝合金厚板经过振动时效后残余应力定位均化水平不能达到要求。对于这种情况，企业上选择振动时效作为复合工艺的一部分。
有鉴于此，本发明提出一种热振复合残余应力定位均化的方法。
发明内容
1、目的
本发明的目的是提供一种热振复合残余应力定位均化的方法，以解决现有振动时效技术作用效果有限和实施应用缺少科学依据等问题，以便获得加工变形小、服役尺寸稳定和高疲劳寿命的工件。
2、技术方案
本发明采用了如下技术方案：
研究工件材料的微观组织，建立符合材料实际微观结构的细观几何模型；
对工件的三维残余应力场进行检测，得到应力场分布；
实现残余应力场与细观几何模型匹配，得到考虑残余应力的细观力学模型；
对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系；
对工件进行振动时效分析，选取合适的振型，使振动高动应力区与热时效影响下高残余应力区矢量叠加，从而获得相应的激振频率；
依据残余应力与激振力产生动应力叠加大于屈服极限，并且小于疲劳极限的公式以及对位错影响的经验，通过计算或者仿真的方式获得合理的激振力选择范围。
对热振复合时效进行仿真，优选温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数。
依据上述所选工艺参数，制定工艺流程，对工件实施热振复合时效残余应力定位均化。
该方案的主要特征是：
热时效主要用于残余应力的全面均化，控制其温度不改变工件材料的组织形态和性能；振动时效主要用于对特定的高不良应力区进行定位应力均化。
为建立考虑残余应力的细观力学模型，需要对工件进行连续切片，借助透射电镜获得材料各截面的数字图像，分割处理后转化为三维模型，同时通过X射线衍射设备检测各层残余应力。热振复合时效仿真采用有限元方法。
综上所述，本发明一种热振复合残余应力定位均化的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：针对特定一个工件或其毛坯进行连续切片，如图1所示，制备样品后借助透射电镜获得材料各截面的数字图像，进行分割处理转化为三维模型，然后在有限元软件中建立几何模型，从而得到基于微观结构的细观几何模型；
步骤二：在步骤一连续切片的同时，通过X射线衍射设备检测各层残余应力，获得工件的三维残余应力场；
步骤三：对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型；
步骤四：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围；
步骤五：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行振动时效分析，通过分析整体振动和局部振动效果来选取合适的振型，使振动高动应力区与热时效影响下高残余应力区适量叠加，进而得到相应的激振频率；
步骤六：依据残余应力与激振力产生动应力叠加大于屈服极限，并且小于疲劳极限的公式以及对位错影响的经验，通过计算或者仿真的方式获得合理的激振力选择范围。
步骤七：根据步骤四至步骤六所确定的影响关系，基于步骤三所建立的细观力学模型对热振复合时效进行仿真，优选温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数。
步骤八：依据上述所选工艺参数，制定工艺流程，对工件实施热振复合时效残余应力定位均化。
其中，步骤三所述的“对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型”，其具体实现过程如下：在有限元软件中，采用合适的网格对细观几何模型进行划分，使单元节点规模合理，将步骤二测得的残余应力赋值到相应节点，然后赋予模型材料属性，包括密度、泊松比、弹塑性应力应变规律等，以建立细观力学模型。
其中，步骤四中所述的“基于建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围”，其具体实现过程如下：通过对合理范围内不同温度的热时效分析，得到温度场对全面均化的作用，选取施加的温度范围的原则是高残余应力区降低明显，并且有助于关心位置在热与振动复合作用时残余应力达到要求，并且使低残余应力区的残余应力不得骤变。
3、优点及效果
（1）本发明通过热与振动时效的复合作用来完成残余应力的松弛和定位均化。热时效温度因改变了工件材料的屈服极限、增加了分子活力，进一步强化了残余应力振动时效的效果。
（2）本发明克服现有残余应力时效技术缺乏直观效果分析作为指导的不足，实现对热振复合时效技术进行仿真，可以得到不同温度下残余应力的变化和不同频率下工件的振型，以便优化工艺参数，制定工艺流程，节约测试对比的时间。
（3）为获取工件三维残余应力场，针对目前采用宏观有限元建模方法不能反映工件的真实结构的不足，本发明建立有限元细观力学模型，提高了模型的精确性，达到仿真与实验效果一致。
附图说明
图1是细观力学建模过程连续切片示意图
图2是热振复合残余应力定位均化的方法步骤流程图
具体实施方式
结合附图中图2描述本发明所述的热振复合残余应力定位均化方法的具体步骤流程：
步骤一：针对特定一个工件或其毛坯进行连续切片，如图1所示，制备样品后借助透射电镜获得材料各截面的数字图像，进行分割处理转化为三维模型，然后在有限元软件中建立几何模型，从而得到基于微观结构的细观几何模型；
步骤二：在步骤一连续切片的同时，通过X射线衍射设备检测各层残余应力，获得工件的三维残余应力场；
步骤三：对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型；
步骤四：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力定位均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围；
步骤五：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行振动时效分析，通过分析整体振动和局部振动效果来选取合适的振型，使振动高动应力区与热时效影响下高残余应力区适量叠加，进而得到相应的激振频率；
步骤六：依据残余应力与激振力产生动应力叠加大于屈服极限，并且小于疲劳极限的公式以及对位错影响的经验，通过计算或者仿真的方式获得合理的激振力选择范围。
步骤七：根据步骤四至步骤六所确定的影响关系，基于步骤三所建立的细观力学模型对热振复合时效进行仿真，优选温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数。
步骤八：依据上述所选工艺参数，制定工艺流程，对工件实施热振复合时效残余应力定位均化。
其中，步骤三所述的“对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型”，其具体实现过程如下：在有限元软件中，采用合适的网格对细观几何模型进行划分，使单元节点规模合理，将步骤二测得的残余应力赋值到相应节点，然后赋予模型材料属性，包括密度、泊松比、弹塑性应力应变规律等，以建立细观力学模型。
其中，步骤四中所述的“基于建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围”，其具体实现过程如下：通过对合理范围内不同温度的热时效分析，得到温度场对全面均化的作用，选取施加的温度范围的原则是高残余应力区降低明显，并且有助于关心位置在热与振动复合作用时残余应力达到要求，并且使低残余应力区的残余应力不得骤变。

Claims (3)

1.一种热振复合残余应力定位均化的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：针对特定一个工件或其毛坯进行连续切片，制备样品后借助透射电镜获得材料各截面的数字图像，进行分割处理转化为三维模型，然后在有限元软件中建立几何模型，从而得到基于微观结构的细观几何模型；
步骤二：在步骤一连续切片的同时，通过X射线衍射设备检测各层残余应力，获得工件的三维残余应力场；
步骤三：对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型；
步骤四：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围；
步骤五：基于步骤三所建立的细观力学模型对工件进行振动时效分析，通过分析整体振动和局部振动效果来选取合适的振型，使振动高动应力区与热时效影响下高残余应力区适量叠加，进而得到相应的激振频率；
步骤六：依据残余应力与激振力产生动应力叠加大于屈服极限，并且小于疲劳极限的公式以及对位错影响的经验，通过计算或者仿真的方式获得合理的激振力选择范围；
步骤七：根据步骤四至步骤六所确定的影响关系，基于步骤三所建立的细观力学模型对热振复合时效进行仿真，选择温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间的工艺参数；
步骤八：依据上述所选工艺参数，制定工艺流程，对工件实施热振复合时效残余应力定位均化。
2.根据权利要求1所述的一种热振复合残余应力定位均化的方法，其特征在于：步骤三所述的“对步骤一的几何模型进行网格划分，然后对其匹配步骤二所测残余应力场，并引入材料的物性参数建立细观力学模型”，其具体实现过程如下：在有限元软件中，采用合适的网格对细观几何模型进行划分，使单元节点规模合理，将步骤二测得的残余应力赋值到相应节点，然后赋予模型材料属性，包括密度、泊松比、弹塑性应力应变规律，以建立细观力学模型。
3.根据权利要求1所述的一种热振复合残余应力定位均化的方法，其特征在于：步骤四中所述的“基于建立的细观力学模型对工件进行热时效分析，建立温度场与残余应力均化的关系，即获得有助残余应力全面均化的温度范围”，其具体实现过程如下：通过对合理范围内不同温度的热时效分析，得到温度场对全面均化的作用，选取施加的温度范围的原则是高残余应力区降低明显，并且有助于关心位置在热与振动复合作用时残余应力达到要求，并且使低残余应力区的残余应力不得骤变。
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