CN115233121A - 一种深冷-热振复合残余应力均化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深冷‑热振复合残余应力均化的方法，该方法是在深冷处理、热时效和振动时效复合作用下，实现时效样件残余应力的消除与均化。利用深冷处理和热时效做用，通过冷热循环的温度场实现时效件残余应力均化，利用振动时效，通过材料发生微塑性变形实现时效件残余应力均化。该应力均化方法包含多种工艺参数的设置，包括高温温度、低温温度、振动频率等工艺参数，通过工艺参数的调节能够更好地实现时效样件的残余应力均化和消除，提高工件的使用寿命。其优点有：通过冷热循环的方式施加温度场，防止材料内部因过大的温度冲击产生损伤；提高了残余应力的均化效果；增加了应力调控的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，属于机械制造中的产品质量控制工艺技术领域。
背景技术
随着我国航天技术的不断发展，新一代高性能卫星研制工作也在逐步开展。新一代卫星天线反射面及其支撑结构件，常采用碳纤维或氰酸酯树脂复合材料。在复合材料成型、加工、粘接、后处理等制造过程中，会持续产生残余应力，并存在残余应力的累积和重分布，在材料内部形成残余应力场。与一般机械产品不同的是，卫星天线在服役环境中受到-170℃～+140℃左右的超高温差的冷热循环载荷作用。在这种环境下，材料会受到更加剧烈的残余应力场释放和重分布，从而导致材料的宏观变化也更加显著，这种情况将导致天线结构出现裂纹、翘曲或其他变形，严重时甚至产生断裂失效。
目前，消除残余应力采用的一般方法为深冷处理、热时效和振动时效。深冷处理一般采用液氮为冷却剂，因为液氮不仅能够使温度达到极低温度(可达-196℃)，而且价格低廉，没有污染环境的风险。深冷处理一般采用冷热循环法，在每一次的冷热循环中产生变形，从而使材料内部残余应力再循环中缓慢降低，防止出现温度冲击。深冷处理对需要在低温环境下服役的材料或者结构有降低内部应力，提高材料尺寸稳定性的效果。热时效是指对工件进行特定时间的加热、保温以及冷却处理，使其在温度场的作用下实现残余应力的均化和消除。热时效一般跟随在热处理过程当中，但是热时效周期长，不利于提高生产效率。振动时效是在特定频率下进行特定时间的循环载荷处理，从而实现残余应力均化，尺寸稳定的目的。其特点是成本较低和周期较短。
发明内容
本发明的目的是提供一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，该方法是在深冷处理、热时效和振动时效复合作用下，实现时效样件残余应力的消除与均化；利用深冷处理和热时效做用，通过冷热循环的温度场实现时效件残余应力均化，利用振动时效，通过材料发生微塑性变形实现时效件残余应力均化，在深冷处理、热时效和振动时效共同作用下，能够使得时效样件达到内部应力消除和均化的应力分布状态。该应力均化方法包含多种工艺参数的设置，包括高温温度、低温温度、振动频率等工艺参数，通过工艺参数的调节能够更好地实现时效样件的残余应力均化和消除，提高工件的使用寿命。
根据时效工件的基本材料参数和形状结构，制定对应的深冷-热振复合残余应力均化方案，确定是先冷后热、先热后冷或是冷热循环的温度载荷施加方式，并完成相关工艺流程的制定，从而确定热温度、深冷温度、循环时间、升温速度、降温速度、激振力、激振频率、振动时间等工艺参数；在完成深冷-热振复合时效之后，对时效后的样件上进行残余应力检测，从而实现了获得深冷-热振复合残余应力均化的均化效果。
如图3所示，深冷-热振复合残余应力均化的方法原理示意图，其分为深冷-加热温度系统、振动系统、自动控制系统和其他部分。其中深冷-加热温度系统包含液氮罐1，液氮降温管路2，箱体3，隔热材料4，升温加热管5；振动系统包含配重调节块6，工件卡具7，减振弹簧8，减振阻尼器10，激振器卡具11，激振器12，工件装卡振动平台13。
附图说明
图1为深冷-热振复合残余应力均化方法的流程框图；
图2为冷热循环作用下材料应力与应变关系曲线图；
图3为深冷-热振复合残余应力均化的方法原理示意图：
图中1为液氮罐，2为液氮降温管路，3为箱体，4为隔热材料，5为升温加热管，6为配重调节块，7为工件卡具，8为减振弹簧，9为待处理工件，10为减振阻尼器，11为激振器卡具，12为激振器，13为工件装卡振动平台。
本发明的有益效果
1、本发明提出了深冷-热振一体化复合残余应力均化方法。通过冷热循环的方式施加温度场，防止材料内部因过大的温度冲击产生损伤。通过温度场强化振动时效的作用，实现了对时效样件残余应力的均化与消除。
2、本发明通过深冷处理、热时效与振动时效的复合作用来完成残余应力均化，有效提高了应力调控效率。
3、本发明为生产制造提出了一种新的复合方法，为不同的金属材料和复合材料的生产工艺指定提供了新的方法。
具体实施方式
见图1，本发明所描述的一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，该方法的具体步骤如下：
本发明提供一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，该方法是在深冷处理、热时效和振动时效复合作用下，实现时效样件残余应力的消除与均化；利用深冷处理和热时效做用，通过冷热循环的温度场实现时效件残余应力均化，利用振动时效，通过材料发生微塑性变形实现时效件残余应力均化，在深冷处理、热时效和振动时效共同作用下，能够使得时效样件达到内部应力消除和均化的应力分布状态。该应力均化方法包含多种工艺参数的设置，包括高温温度、低温温度、振动频率等工艺参数，通过工艺参数的调节能够更好地实现时效样件的残余应力均化和消除，提高工件的使用寿命。
深冷-热振复合作用对工件残余应力分布状态具有显著影响。深冷热循环能够实现时效件残余应力均化和减小，由于材料组织内相与相之间、取向不同的各晶粒之间和各晶粒内部各方向之间的膨胀系数不同，在深冷热循环的过程中，温度场变化产生的微观应力与原有的残余应力相互叠加作用。当这两种应力方向相同时，相加和后应力会超过材料的屈服极限从而产生微观的局部塑性形变，使得残余应力产生松弛；当这两种应力方向相反时，相互叠加抵消，使得残余应力均化和消除。金属和复合材料都有热胀冷缩的共性，根据固态物质的物态方程：
式中，V0是温度为T0时材料的体积，VT是温度为T0时的材料体积，α是材料热膨胀系数。以铝合金材料为例，常温下铝合金热膨胀系数，当温度下降200K时，引起的体积收缩率为1.37％，体积收缩会对材料的组织结构与性能产生影响。材料在产生收缩时内部会产生内应力，同时诱发材料内部位错，因此使得材料部分残余应力升高达到材料屈服极限，从而残余应力得到释放。材料的收缩会引起晶格产生收缩，使原子间距减少，位错转移阻力变大，从而导致材料内能升高，促进沉淀相的析出，提高了材料强度。
在深冷热循环中，由于降温的不均匀性，被处理的工件不可避免地会形成温度梯度，由此产生的热应力或者冷应力可以达到相当大的数值，甚至接近或者超过材料的弹性极限。
当最大应力超过材料的弹性极限，而由冷热循环产生的热应力本身小于材料的弹性极限时，如图2所示。在这种情况下，如果第一次深冷热循环的最大总应力大于材料的弹性极限σP，即图中A点的应力由于深冷热循环的作用应力升高到了A′点，由于塑性变形的影响，原本的残余应力减少了△σ′A的值。当进行第二次深冷热循环时，由于原有内应力的降低，形成的应力应变曲线如BB′所示，比第一次循环时的形变减少，残余应力减少量为△σ′B，且由于变形减少△σ′B小于△σ′A。由此类推，第三次的残余应力下降值又小于△σ′B，经过数次循环后直到剩余的残余应力值与深冷热循环产生的应力小于材料的弹性极限。在往后的深冷热循环处理的变形将只发生在材料的弹性极限之内，即图中的DD′线，并且在之后的冷热循环中不再发生残余应力的降低。
深冷-热振复合残余应力均化的方法原理示意图，如图3所示。工件9通过工件卡具7安装在工件装卡振动平台13上，工件的整个工艺过程处在环境保温状态下，所述的保温环境由箱体3和隔热材料4提供，降低与外界的热辐射和热交换，从而提供了相对稳定的保温环境。在设定相应的升温温度后，升温加热管5加热升高箱体内环境温度，在设定相应的降温温度后，液氮罐1通过液氮降温管路2向箱体内输送氮气，从而降低箱体内部温度达到设定深冷温度，在设定的时间开启激振器12对工件施加振动载荷，激振器12通过激振器卡具11安装在工件装卡振动平台13上，通过调节配重调节块6将平台最大动应力处调节到工件处，使工件达到振动应力均化的最好效果，并在工件装卡振动平台13底部安装有减振弹簧8和减振阻尼器10，使得平台振动具有独立性，不会传递到箱体上，通过上述方法实现深冷-热振复合残余应力均化一体化，对工件的残余应力进行有效均化。
以上所述仅为本发明优选实例，但本发明的保护范围并不局限于此。对于本领域相关的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，其特征在于，该方法是在深冷处理、热时效和振动时效复合作用下，实现时效样件残余应力的消除与均化；利用深冷处理和热时效做用，通过冷热循环的温度场实现时效件残余应力均化，利用振动时效，通过材料发生塑性变形实现时效件残余应力均化，在深冷处理、热时效和振动时效共同作用下，能够使得时效样件达到内部应力消除和均化的应力分布状态；在对时效样件进行深冷-热振复合应力均化作用时，该过程受到循环温度场和振动载荷耦合共同作用，其工艺方案可分为先热后冷振动时效、先冷后热振动时效和冷热循环振动时效三种工艺方案。
2.如权利要求1所述的一种深冷-热振复合残余应力均化的方法，其特征在于通过深冷-加热温度系统、振动系统、自动控制系统和其他部分，实现对工件残余应力均化的定量工艺参数控制。
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