CN109490334B - 一种运用残余应力预测模型的t字型锻件无损测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运用残余应力预测模型的T字型锻件无损测试方法，其具体步骤如下：步骤1：无损检测T字型锻件表面残余应力；步骤2：有损检测T字型锻件内部残余应力；获取不同工艺状态下内部残余应力；步骤3：获得T字型锻件内部残余应力模型，通过步骤1和步骤2的测试结果，得到锻件各工艺阶段残余应力分布规律。即首次实现通过对大型厚截面航空铝合金锻件表面残余应力测试，运用该模型，准确预测出内部残余应力的目的。将本方法涉及的该模型应用于实际零件得到试验验证，能够准确地预测出铝合金锻件不同部位的内部残余应力分布规律，有效地避免了有损检测方法对锻件的破坏。

Description

一种运用残余应力预测模型的T字型锻件无损测试方法
技术领域
本发明适用于大型厚截面航空铝合金锻件残余应力的测试与预测。
背景技术
铝合金材料的航空构件，为了适应在长期高温高压等恶劣的环境下工作，都需要进行固溶淬火热处理，提高材料的强度及抗疲劳、抗腐蚀性能。但是这会造成构件内部淬火残余应力的产生。
有关残余应力的测定研究日益为工程技术界所重视，从上世界30年代发展至今，已形成数十种残余应力测试技术与方法，较成功了解决了部分工程问题。但随着工业整体水平的发展，现有的残余应力测试理论、技术、方法与设备等各方面都已难以满足工程实际对大规格厚截面铝合金制品残余应力的测定与评估的迫切需要。首先，现有的残余应力测试理论、技术与方法都是基于弹性力学各向同性、线弹性与二维均匀分布应力场的理想假设，这与工程实际问题不符合，实际上，材料制品内部的残余应力一般是三维状态。其次，现有的各种残余应力测试技术仅适合于测试简单构件表面或浅表层的残余应力，难于测定复杂结构件与厚壁件内部的残余应力。三者，迄今为止国内外尚无人研究如何建立包括构件表面与内部整个残余应力场的普适模型，用来系统地分析残余应力分布规律。
由于内部残余应力是引起零件变形的主要原因之一，因此，最大限度地提高铝合金构件内部残余应力的测试精度与可信度是开展残余应力控制工作的前提，也直接影响到定量评估残余应力对强度、寿命及尺寸稳定性影响的可信度与准确度。为了有效地评估各种航空结构件残余应力分布于应力消除工艺的实际效果，必须具有精确的残余应力测试技术。为了有效地评估各种航空结构件残余应力分布于应力消除工艺的实际效果，必须具有精确评估内部残余应力的预测模型。
发明内容
本发明的目的是：将X射线无损检测结果与内部残余应力分布规律相结合，建立数学模型，准确预测大型厚截面铝合金锻件内部残余应力，填补我国在这个领域的空白。
技术方案是：一种运用残余应力预测模型的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：无损检测T字型锻件表面残余应力；为获取不同工艺状态下T字型锻件表面残余应力，采用无损测试方法对T字型锻件的表面残余应力进行测试，结合现场生产工艺的安排，同时在T字型锻件典型部位上布置多个测点以获得详尽的应力分布数据，在生产间隙时间测试T字型锻件不同工艺状态下的表面残余应力；
步骤2：有损检测T字型锻件表面残余应力；为获取不同工艺状态下内部残余应力，采用有损测试方法测量T字型锻件剖面上的法向应力，完成测试后，在靠近测试切割面位置切取测量试块，对该测量试块进行层削法的测试，测量T字型锻件两侧腹板区域的残余应力；对比分析测试结果与有限元仿真结果，总结T字型锻件淬火残余应力、冷压后残余应力、时效后残余应力的分布规律；
步骤3：获得T字型锻件内部残余应力模型，通过步骤1和步骤2的测试结果，得到锻件各工艺阶段残余应力分布规律；对试件腹板区残余应力沿厚度的分布进行归一化处理，基于最小二乘法原则，对归一化的试验数据采用Legendre多项式进行拟合，得到对应的函数模型，采用Cox回归模型得到筋条区心部拉应力最大值(σ拉应力峰值)、表面应力(σ表面)、筋条高度(t1)、腹板厚度(t2)和筋条宽度(w)之间的函数模型，具体模型如下：
腹板内应力：
σ(z)＝(σ拉应力峰值+|σ表面|)·S淬火归一(z)+σ表面 (1)
Figure GDA0002907249870000021
筋条内应力：
Figure GDA0002907249870000022
其中：t1:筋条高度t2为腹板厚度，w为筋条宽度；
Figure GDA0002907249870000023
z为归一化的厚度，[L0 L1 … L10]为Legendre多项式矩阵，其各个元素在[0,1]范围内均满足自平衡。
优选地，步骤1采用X射线测试法对锻件的表面残余应力进行测试。
优选地，步骤1测试锻件分别处于锻造、淬火、冷压、时效工艺状态下的表面残余应力。
优选地，步骤1中锻件表面残余应力的测试方法为：每种工艺状态下均测试锻件表面160 个测点，包含长向和横向两个方向的应力，160个测点的测试时间约为连续的48h。
优选地，步骤2中采用轮廓法测量锻件剖面上的法向应力。
优选地，步骤2中采用线切割切取150mm×150mm的方形测量试块。
本发明的优点是：将该模型应用于实际零件得到试验验证，能够准确地预测出铝合金锻件不同部位的内部残余应力分布规律，有效地避免了有损检测方法对锻件的破坏。
附图说明
图1为本发明示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明和实施方式做详细说明。
参见图1，本发明残余应力预测方法下列步骤进行：
在铝合金锻件加工现场开展残余应力测试，必须采用无损的检测方法，且仪器设备必须便于携带。在工程现场，多运用X射线衍射法获取7050铝合金大锻件各工艺阶段的表面残余应力，掌握7050铝合金大锻件表面残余应力的分布规律。在实验室，开展对7050铝合金大锻件解剖件的固溶淬火、冷压、时效工艺试验和对应的残余应力测试试验，掌握7050铝合金大锻件各工艺阶段表面及内部应力的分布特点。
结合工程现场表面应力测试和实验室的工艺再现试验及残余应力测试试验，对锻件各工艺阶段的整体(表面和内部)残余应力进行了分析研究。得到锻件内部残余应力的预测模型，并应用于实际零件得到试验验证，有效解决了通过无损检测大规格铝合金锻件表面残余应力来准确预测内部残余应力的难题。
为获取不同工艺状态下锻件表面残余应力，采用X射线测试法对锻件的表面残余应力进行测试，结合现场生产工艺的安排，同时尽可能布置多的测点以获得详尽的应力分布数据，在生产间隙时间测试锻件4种工艺状态(锻造、淬火、冷压、时效)下的表面残余应力。每种工艺状态下均测试锻件表面160个测点，包含长向和横向两个方向的应力，160个测点的测试时间约为连续的48h。
为获取不同工艺状态下内部残余应力，采用轮廓法测量锻件整个T形截面上的法向应力，在完成测试后，靠近轮廓法切割面采用线切割切取150mm×150mm的方形试块，进行层削法的测试，测量锻件两侧腹板区域的残余应力。对比分析测试结果与有限元仿真结果，总结锻件淬火残余应力、冷压后残余应力、时效后残余应力的分布规律。
通过无损检测和局部有损检测的测试方法，得到锻件各工艺阶段残余应力分布规律。对试件腹板区残余应力沿厚度的分布进行归一化处理，基于最小二乘法原则，对归一化的试验数据采用Legendre多项式进行拟合，得到对应的函数模型。采用Cox回归模型得到筋条区心部拉应力最大值(σ拉应力峰值)、表面应力(σ表面)、筋条高度(t1)、腹板厚度(t2)和筋条宽度(w)之间的函数模型。
将该模型应用于实际零件得到试验验证，能够准确地预测出铝合金锻件不同部位的内部残余应力分布规律，有效地避免了有损检测方法对锻件的破坏。
实施例
锻件筋条区的尺寸为：筋条高度t1≈0.04m、腹板厚度t2≈0.07m、筋条宽度w≈0.075m。
锻件淬火后：腹板区表面X向应力、筋条区表面X向应力均约-200MPa。则由模可计算得到腹板区和筋条区心部的最大拉应力，预测结果与测试结果对比如表所示。可以看出，预测结果与实测结果一致性较好。
锻件内部最大拉应力预测结果与测试结果对比(单位：MPa)
Figure GDA0002907249870000041

Claims (6)

1.一种运用残余应力预测模型的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：无损检测T字型锻件表面残余应力；为获取不同工艺状态下T字型锻件表面残余应力，采用无损测试方法对T字型锻件的表面残余应力进行测试，结合现场生产工艺的安排，同时在T字型锻件典型部位上布置多个测点以获得详尽的应力分布数据，在生产间隙时间测试T字型锻件不同工艺状态下的表面残余应力；
步骤2：有损检测T字型锻件表面残余应力；为获取不同工艺状态下内部残余应力，采用有损测试方法测量T字型锻件剖面上的法向应力，完成测试后，在靠近测试切割面位置切取测量试块，对该测量试块进行层削法的测试，测量T字型锻件两侧腹板区域的残余应力；对比分析测试结果与有限元仿真结果，总结T字型锻件淬火残余应力、冷压后残余应力、时效后残余应力的分布规律；
步骤3：获得T字型锻件内部残余应力模型，通过步骤1和步骤2的测试结果，得到锻件各工艺阶段残余应力分布规律；对试件腹板区残余应力沿厚度的分布进行归一化处理，基于最小二乘法原则，对归一化的试验数据采用Legendre多项式进行拟合，得到对应的函数模型，采用Cox回归模型得到筋条区心部拉应力最大值σ拉应力峰值、表面应力σ表面、筋条高度t1、腹板厚度t2和筋条宽度w之间的函数模型，具体模型如下：
腹板内应力：
σ(z)＝(σ拉应力峰值+|σ表面|)·S淬火归一(z)+σ表面 (1)
Figure FDA0002978249950000011
筋条内应力：
σ拉应力峰值＝1.1687·|σ表面|·t1 -0.0391·t2 -0.1552·w0.1357 (3)
其中：t1：筋条高度，t2为腹板厚度，w为筋条宽度；
Figure FDA0002978249950000021
z为归一化的厚度，[L0 L1 … L10]为Legendre多项式矩阵，其各个元素在[0，1]范围内均满足自平衡。
2.如权利要求1所述的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，步骤1采用X射线测试法对锻件的表面残余应力进行测试。
3.如权利要求1所述的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，步骤1测试锻件分别处于锻造、淬火、冷压、时效工艺状态下的表面残余应力。
4.如权利要求1所述的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，步骤1中锻件表面残余应力的测试方法为：每种工艺状态下均测试锻件表面160个测点，包含长向和横向两个方向的应力。
5.如权利要求1所述的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，步骤2中采用轮廓法测量锻件剖面上的法向应力。
6.如权利要求1所述的T字型锻件无损测试方法，其特征在于，步骤2中采用线切割切取150mm×150mm的方形测量试块。
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