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W/2A12复合材料残余应力分布及消减工艺研究

张国松  
【摘要】:W/2A12复合材料是优良的结构功能材料,具备优异的高能射线抗辐射能力。W/2A12复合材料在制造、加工及服役过程中,不可避免地经过高温过程,如热挤压、热处理或在高温、热循环条件下工作。固溶淬火处理是W/2A12复合材料重要的热处理工序,在淬火处理过程中会引入较大的残余应力,对构件的尺寸稳定性、抗应力腐蚀性能、疲劳强度等性能有很大的影响,在后续的机加工过程中会引起工件的翘曲变形。因此,调控和预测W/2A12复合材料中的残余应力,对提高构件的尺寸稳定性等性能具有重要的意义。研究基于热压缩实验,建立固溶淬火态W/2A12复合材料的高温变形本构方程。结合末端淬火法和DFORM-HT的迭代法计算了三维传热情况下W/2A12复合材料与换热介质的换热系数。将材料高温变形本构方程、换热系数以及测定的材料的物性参数应用到ABAQUS有限元软件,建立了常规热处理过程中W/2A12复合材料铝合金残余应力演化模型,研究了复合材料在淬火过程中的温度及应力场演变过程,利用ABAQUS软件模拟研究了淬火水温对应力分布和大小的影响,研究发现通过提高淬火水温更能有效实现内部区域拉应力的应力松弛。本文基于裂纹柔度法建立了 W/2A12复合材料内应力表征方法,结合有限元模拟分析了裂纹柔度法的测试及计算误差因素并对其进行了修正,确定了插值函数的阶数选取准则。选用XRD、钻孔法测定工件表面残余应力并对测试结果进行综合对比,确定了表面残余应力测试方法选取原则。将内应力和表面应力的实验测试值与ABAQUS模拟结果进行对比,测试结果与模拟结果吻合较好,证实了本文建立的残余应力仿真模型的可靠性。根据淬火残余应力分布的相似性,实现了基于表层残余应力测试数据的内应力预测,建立了 W/2A12复合材料残余应力的数值模型。此外,建立了一种新型的复杂规格工件的淬火-反淬火的应力预测模型,模型结果和实验测试结果最大偏差小于20%。对W/2A12复合材料的淬火残余应力的消减工艺进行了研究,系统地表征了不同消减工艺后材料的残余应力及力学性能。淬火水温对残余应力产生显著的影响,提高淬火水温可使工件内部残余应力明显降低,且合金的力学性能无明显变化。预拉伸可以显著消减构件的残余应力,预拉伸过程中的拉伸量的下限应设定为0.8%以保证显著的应力消减。当拉伸量为2%时,最大拉应力和最大压应力分别降低了 89.8%和88.5%。选用二甲基硅油为高温介质的反淬火工艺最大可消除60%的淬火残余应力,淬火后立即反淬火能大幅有效的消减试样中的残余应力,且在第一次反淬火效果显著,增加反淬火次数后应力消减效果并不明显。此外,合金的强度在反淬火处理后得到了改善。


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