Page 38 - 理化检验-物理分册 2021年第六期
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顾开选, 等: 采用圆环三角试样评价材料的尺寸稳定性


            尺寸稳定化处理工艺国家标准, 而我国在这方面的
            研究不够系统深入, 其中的一个主要原因是尺寸稳
            定性评价方法不健全            [ 6 ] 。
                 从宏观变形层面对尺寸稳定性进行表征是一种
            较为直观的手段, 前苏联学者             [ 4 ] 提出的奥金格圆环
            试样方法就是通过对开口后的圆环采用楔 形块加
            载, 根据卸载后缺口尺寸与原始状态的缺口尺寸之
            差来检测尺寸稳定性。在此基础上, 国内学者孙东
            立等提出了圆环开口法, 通过开口后的尺寸变化来
                                                                           图 1  圆环三角试样尺寸示意图
            对试样的尺寸稳定性进行评价; 武高辉等提出了一
                                                                  Fi g  1 Schenaticdia g ramofsizeofrin g trian g les p ecimen
            种冷热循环实时检测法, 通过热膨胀仪来检测温度
                                                               表 1 所示, 原材料经过长时间[ 大于5a ( 年)] 自然时
            循环变化条件下材料尺寸的稳定性, 其能够有效反
                                                               效, 残余应力得到充分释放。
            映材料微观变化和应力松弛的耦合作用                   [ 6-8 ] 。
                                                                       表 1 7050 铝合金的化学成分( 质量分数)
                 但目前对于材料尺寸稳定性的评价还是缺乏快                                Tab 1 Chemicalcom p ositionsof7050aluminum




            捷的、 标准的评价手段, 对于工业应用来说, 最直观                                        allo y   massfraction        %


            的评价方法是直接检测零件的外形尺寸。然而, 对                             Cr   Zr   Zn    Si   Fe   Mn   M g  Cu   Al
            于处理工艺的优化或试验研究难以开展大批量的实                             0.009 0.10  6.02  0.03  0.11 0.003 2.31  2.04  余量
            际零件检测, 况且零件种类繁多导致尺寸变化的规
            律难以把握。因此, 笔者提出一种圆环三角法对尺                           1.3  试验步骤
                                                                   圆环三角法的具体试验步骤如下。 ① 沿轧制方
            寸稳定性进行评价, 通过对圆环三角试样结构的设
                                                               向加工出圆环三角形试样, 圆环内部的三角形采用
            计使其能够精确反映材料尺寸的变化, 从而为大批
                                                               慢走丝线切割进行加工, 保证加工表面平整。 ② 对
            量的尺寸稳定化工艺研究提供支持。
                                                               试样按照不同工艺进行处理, 固溶处理( S )、 固溶 - 时
            1  试验方法                                            效处理( SA )、 固溶 - 深冷处理( SC )、 固溶 - 深冷 - 时效
            1.1  圆环三角试样设计方案                                    处理( SCA ) 和固溶 - 时效 - 深冷处理 ( SAC ), 其中不
                 基于初始平衡残余应力的释放导致试样产生应                          同工艺的具体参数如表 2 所示。 ③ 经过不同工艺的
            变的原理, 考虑到圆环开口法试样上残余应力的分                            处理后待试样温度回至室温时立刻采用 Future866

            布比较均匀, 开口后引起的应变较小, 从而影响测量                          型三坐标测量仪( 测量精度 2 μ m ) 进行θ 角度检测
            精度。因此, 该方案是在一个圆形试样中心开一个                            并记为 θ 0 。 ④ 采用线切割沿三角形底部边缘切开,
            三角形的槽从而获得尺寸不均匀的试样。此外, 为                            切割过程中保证不同试样切割位置一致, 试样装卡
            了试样方向便于控制、 线切割固定方便, 在圆环外侧                          需要避免x 和 y 方向上受力, 切割过程中应充分冷
            加工出两个平面。在此基础上设计了如图 1 所示的                           却避免切割热应力, 线切割完成后立即检测θ' 角度,

            圆环三角试样, 该试样具有壁薄( 厚度 5mm )、 形状                      通过θ 角的变化( Δθ=θ 0-θ' ) 和试样两侧面平行度
            不规则、 截面变化大等特点, 不同工艺处理后, 试样                         的变化来对不同工艺试样尺寸稳定性进行评价。每
            不同位置残余应力分布不均匀, 沿三角形底边切开                            个工艺测试3个试样, 取平均值作为最终结果。
            后, 残余应力释放将导致试样尺寸发生变化, 通过角                                       表 2  工艺编号及工艺参数

            θ 及试样两侧面平行度开口前后的变化来评价试样                                    Tab 2 Processnumberandits p arameters
                                                                      编号                     工艺
            的尺寸稳定性。


            1.2  试验材料                                              固溶处理( S )            465 ℃×1h , 水冷


                 为了对上述试样的有效性进行验证, 采用航空                             时效处理( A )           120 ℃×20h , 空冷

            领域广泛应用的 7050 铝合金作为试验材料, 通过深                            深冷处理( C )     -196 ℃×12h , 降温速率 2 ℃ · min -1
            冷处理技术与固溶时效相结合的方式对 7050 铝合                         1.4  淬火残余应力模拟
            金进行处理, 研究不同工艺对试样尺寸稳定性的影                               7050铝合金固溶淬火过程中容易产生较高的残
            响。 7050 铝合 金 原 材 料 为 轧 制 板 材, 化 学 成 分 如            余应力, 这一残余应力在后续不同处理阶段的演化会
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