CN109870257B - 一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法 - Google Patents

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Abstract

一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，包括如下步骤：(1)对n组材料试样厚度方向残余应力分布进行数值模拟或实际测试分析，通过离差标准化处理得到残余应力离差标准化分布结果；(2)对分布结果进行平均，获得残余应力离差标准化统计分布，拟合得到相对于标准化厚度z的残余应力分布函数J(z)；(3)统计分析n组材料表面残余应力绝对值与内部残余应力绝对值，拟合得到内部残余应力与表面残余应力的对应关系；(4)对表面残余应力进行测试，得到表面残余应力数值，并计算内部残余应力；(5)利用表面残余应力、内部残余应力数值以及分布函数J(z)预测其他规格样品厚度方向残余应力分布。本发明能够实现材料淬火残余应力的快速预测评价。

Description

一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法
技术领域
本发明涉及一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，属于材料分析检测领域。
背景技术
钢铁、铝合金、镁合金等金属板材由于其各自的性能优势，在工业领域广泛应用于结构件制备。而目前结构件加工倾向于向大型化整体化发展，以减少零件数量，提高装配精度与装配效率。金属板材在加工过程中由于热处理、机加工等因素，不可避免地会引入残余应力，而材料中存在过高的残余应力可能会导致板材在加工成为零件的过程中发生翘曲，严重的甚至发生开裂，严重影响了制造效率与成本。通过残余应力的表征与预测，获得材料残余应力分布状态，可为材料制备加工工艺优化提供依据，也作为材料出厂状态评价，避免加工变形导致材料报废。但如何实现对板材残余应力准确评价与预测仍然是行业内的共性难题，因此如何快速、准确地获得板材残余应力分布是行业内各企业的迫切需求。
现有残余应力测试方法中，钻孔法、X射线衍射法等方法可应用于工厂规格材料应力测试，但两种方法都只能测试表面残余应力，无法对材料厚度方向残余应力分布进行表征；而可进行内部残余应力测试的裂纹柔度法、应变云图法、中子衍射法、同步辐射X射线衍射法均无法应用于较大规格的样品测试，且裂纹柔度法、应变云图法对材料破坏性大，中子衍射法、同步辐射X射线衍射法只能在特定实验室条件下进行测试。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，高效，快速地得到板材厚度方向淬火残余应力分布。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，包括如下步骤：
(1)对选定材料的n组不同厚度规格、相同状态的试样厚度方向残余应力分布进行数值模拟或实际测试分析，得到n组试样应力分布数据，对n组不同厚度及n组试样应力分布数据分别进行离差标准化处理，离差标准化的转换函数如下式：
Figure GDA0002719548470000011
式中，max为n组不同厚度数据或n组试样应力分布数据最大值，min为n组不同厚度数据或n组试样应力分布数据最小值，x’代表离差标准化处理后的数据，x代表离差标准化处理前的数据；
(2)对n组离差标准化处理结果进行平均，得到离差标准化统计分布，对离差标准化统计分布进行多项式拟合，得到相对于标准化厚度z的残余应力分布函数J(z)；
(3)统计分析n组试样表面残余应力绝对值与厚度方向中心位置残余应力绝对值，拟合得到厚度方向中心位置残余应力绝对值与表面残余应力绝对值的对应关系；
(4)对表面残余应力进行测试，测试方法选择钻孔法或X射线衍射法，得到表面残余应力绝对值，并依据步骤(3)得到的厚度方向中心位置残余应力绝对值与表面残余应力绝对值对应关系，计算厚度方向中心位置残余应力；
(5)利用表面残余应力绝对值、厚度方向中心位置残余应力绝对值以及分布函数J(z)预测其他规格样品厚度方向残余应力分布。
所述步骤(1)中残余应力分布实际测试分析采用裂纹柔度法或中子衍射法进行，对不同厚度的试样测试位置选择在离差标准化厚度相同的位置进行测试，厚度方向实测点数量不少于9个；所述步骤(1)中n应大于等于7个。
本发明的优点在于：
本发明在实验测试确定相同淬火条件下小规格试样淬火残余应力分布和大规格厚板表面中心点应力水平基础上，实现材料淬火残余应力的快速预测评价。本发明通过计算厚度方向残余应力分布函数J(z)，结合表面点残余应力测试，高效，快速地得到板材厚度方向淬火残余应力分布，可为产品残余应力状态评价提供参考。
附图说明
图1是本发明的板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法的流程图。
图2是板材淬火残余应力标准化分布函数及其拟合图形。
具体实施方式
图1是本发明的板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法的流程图。以下参照图1对本发明的具体实施方式进行说明。
以不同规格7055铝合金板材为例，选取2000mm×1000mm×30/50/70/90/110/130/150/170/200mm共9个模型的淬火残余应力分布模拟结果，对厚度和厚度方向应力分布分别进行离差标准化处理。令表面最大压应力为最小值、心部最大拉应力为最大值，处理公式如公式(1)。
Figure GDA0002719548470000031
由此得到的残余应力离差标准化分布结果如表1所示。
表1不同厚度下淬火残余应力0-1标准化分布
Figure GDA0002719548470000032
随后对9组不同的应力数据进行平均，绘制淬火残余应力离差标准化统计分布曲线，如图2所示，并对其进行多项式拟合，得到相对于0-1标准化厚度z的淬火残余应力分布函数J(z)：
J(z)＝3.327e-8z9-65.599z8+262.39z7-556.75z6+751.87z5-606.45z4
+265.91z3-59.113z2+7.7352z-0.0059(0≤z≤1) (4)
对铝合金板材而言，长厚比和宽厚比一般较大，影响残余应力水平的主要是厚度，厚板淬火心部最大拉应力σ淬火内部可表示为：
Figure GDA0002719548470000041
其中C、A1、A2为待定系数，H为板材厚度。对上式两边取自然对数。
lnσ淬火内部＝ln C+A1·ln H+A2·ln|σ淬火表面|(6)
从各厚度的厚向模拟应力分布中确定各厚度的表面最大压应力和心部最大拉应力水平，如表2所示。
表2不同厚度试样表面与内部淬火残余应力值
Figure GDA0002719548470000042
根据表2中数据代入公式(4)，计算得到各项系数，得到板材淬火心部最大拉应力为：
σ淬火内部＝0.0021·H-0.7188·|σ淬火表面|1.8308 (7)
利用钻孔法或X射线衍射法可测得σ淬火表面，代入公式(5)，可计算得到σ淬火内部。两个数据可分别对应离差标准化中应力0位置与1位置。据此将应力分布函数还原，可得：
σ(z)＝(σ淬火内部-σ淬火表面)·J(z)+σ淬火表面 (8)
其中：
z＝h/H (9)
h为板材需预测的点在厚度方向的位置，H为所研究的板材总厚度。即可根据公式(6)、(7)计算板材厚度方向淬火残余应力分布。

Claims (3)

1.一种板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对选定材料的n组不同厚度规格、相同状态的试样厚度方向残余应力分布进行数值模拟或实际测试分析，得到n组试样应力分布数据，对n组不同厚度及n组试样应力分布数据分别进行离差标准化处理，离差标准化的转换函数如下式：
Figure FDA0002719548460000011
式中，max为n组不同厚度数据或n组试样应力分布数据最大值，min为n组不同厚度数据或n组试样应力分布数据最小值，x’代表离差标准化处理后的数据，x代表离差标准化处理前的数据；
(2)对n组离差标准化处理结果进行平均，得到离差标准化统计分布，对离差标准化统计分布进行多项式拟合，得到相对于标准化厚度z的残余应力分布函数J(z)；
(3)统计分析n组试样表面残余应力绝对值与厚度方向中心位置残余应力绝对值，拟合得到厚度方向中心位置残余应力绝对值与表面残余应力绝对值的对应关系；
(4)对表面残余应力进行测试，测试方法选择钻孔法或X射线衍射法，得到表面残余应力绝对值，并依据步骤(3)得到的厚度方向中心位置残余应力绝对值与表面残余应力绝对值对应关系，计算厚度方向中心位置残余应力；
(5)利用表面残余应力绝对值、厚度方向中心位置残余应力绝对值以及分布函数J(z)预测其他规格样品厚度方向残余应力分布。
2.如权利要求1所述的板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中残余应力分布实际测试分析采用裂纹柔度法或中子衍射法进行，对不同厚度的试样测试位置选择在离差标准化厚度相同的位置进行测试，厚度方向实测点数量不少于9个。
3.如权利要求1所述的板材厚度方向淬火残余应力分布预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中n大于等于7个。
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