艦炮大型鑄鋁結構件鉆孔法測殘余應力

在工程實踐中，各種大型結構件在研制過程中都會產生殘余應力，某大型板結構鑄鋁合金件是艦炮裝配的基礎構件，由于鑄造后進行了時效處理，未出現脆斷現象。但在小批試生產過程中連續(xù)出現構件斷裂，為分析其斷裂原因，我們需對大型板結構鑄鋁金件進行殘余應力測量，了解其殘余應力分布狀態(tài)。

測試儀器及方案的確定

本次試驗采用鉆孔法測殘余應力，儀器為聚航科技生產的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK鉆孔裝置組成，軟件式操作、實時顯示殘余應力釋放曲線、可自動生成報告。

本次試件選取了兩個斷裂的鑄鋁試件，構件材料為ZL111,厚約400mm。根據兩個破損構件裂紋走向，初步確定了最大殘余應力分布，經討論確定了以下測試方案：

1. 沿裂紋走向布置6至7個測試點。

2. 以已投入使用并在使用中未破壞的原構件做參考進行對比測試。

3. 采用振動時效消除應力后進行殘余應力測試，然后對殘余應力數值進行對比。

鉆孔法測殘余應力步驟

1. 將測點表面打磨清潔后在每個測點處粘貼應變花和端子。

2. 焊接測量屏蔽線，放置打孔裝置，使用顯微鏡對準，使打孔裝置的打孔中心與應變花孔標記中心一致。

3. 調節(jié)鉆孔深度，儀器調零后啟動打孔設備，并打出直徑為1.5mm、孔深為2mm的圓孔。

4. 殘余應力釋放，通過應變儀測量該點應變花3個方向的應變量，軟件自動計算出最大主應力、最小主應力及角度，并記錄讀數。

測試數據及分析

對比構件材料力學性能測試結構如表1

原構件及采用振動時效消除殘余應力措施后新構件的殘余應力測試結果對比如表2

對構件的斷裂原因的分析及對策

試件鑄造過程中采用粘土砂作造型，使用輻射爐熔煉，爐材料為ZLD111鋁錠，澆注溫度控制在720-730℃，鑄件毛坯按GB9438-88驗收后，進行淬火+完全時效處理，并按GB1173-86對ZL111規(guī)定性能進行檢查。構件在運輸和加工過程中出現斷裂，說明殘余應力已超過材料的屈服極限，經過構件加工工序和時間與相關材料對比分析，確定殘余應力來自兩個方面：一是淬火和時效處理后的鑄件仍存在較大的殘余應力。從鑄件殘余應力時效松弛曲線可看出：一周時效遠不能消除殘余應力；二是機加過程中刀具擠壓和摩擦也使構件表面應力進一步疊加。當工件在外部因素觸發(fā)下（比如撞擊）或局部表面刀口應力集中，產生Ⅰ型裂紋擴展，最終演變成構件的斷裂。

通過對構件斷裂原因的確定和對試制以來的所有工件的過程比較，采取了以下對策：

1. 構件鑄造完成后及時進行去應力退火。

2. 構件淬火和時效處理后，至少進行兩周的自然時效，自然時效最好在30度以上。

3. 采用機械方式消除加工過程中的應力，從表2中可看出采用振動時效處理后殘余應力大大降低。

4. 在構件設計中改善鑄件結構和控制加工切削量也使減少殘余應力的輔助手段。

結論

1. 原結構中殘余應力較大，部分位置殘余應力超過材料屈服極限，是某型艦炮大型鑄鋁件斷裂的主要原因，必須進行消除殘余應力處理。

2. 原構件在進行去應力回火、淬火和時效處理后，應盡可能延長時效處理時間；對機械加工過程中的殘余應力采用振動時效方法消除。