6061預(yù)拉伸板殘余應(yīng)力檢測

某廠生產(chǎn)6061預(yù)拉伸板其拉伸量給定僅規(guī)定了1.5%-3.0%的拉伸范圍，未按板材規(guī)格進行給定拉伸量的調(diào)整，導(dǎo)致鋁合金預(yù)拉伸板在使用及加工過程中因殘余應(yīng)力過大發(fā)生嚴重變形。因此，急需對相應(yīng)厚度規(guī)格的預(yù)拉伸板拉伸量與殘余應(yīng)力匹配關(guān)系進行研究。結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)實際狀況，對經(jīng)不同拉伸量的典型厚度規(guī)格（60mm）的6061鋁合金預(yù)拉伸板進行殘余應(yīng)力檢測，分析其殘余應(yīng)力消除效果與拉伸量之間的關(guān)系，為得到加工變形較小的鋁合金板提供參考。

實驗材料及所用儀器

用某廠生產(chǎn)的60mm厚6061鋁合金厚板作為試驗材料。這3塊預(yù)拉伸板材均采用相同生產(chǎn)工藝制備，生產(chǎn)工藝為：銑面-加熱-軋制-淬火-拉伸。

儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力檢測系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成，多點檢測，軟件設(shè)置，自動實時計算殘余應(yīng)力，并實時顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，生成殘余應(yīng)力報告。

試驗方案

在板材淬火后，分別對其進行1.5%、2.0%、2.5%的預(yù)拉伸。然后用JHZK殘余應(yīng)力專用鉆孔裝置在每張板材上鉆取2個孔，使用JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀分別測量其長度方向和寬度方向的殘余應(yīng)力值，獲得該合金、規(guī)格下最小殘余應(yīng)力對應(yīng)的拉伸量。并將試驗所得較優(yōu)拉伸量應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，跟蹤用戶加工變形情況，驗證該拉伸量的適用性。

殘余應(yīng)力檢測過程

鋁合金板材表面處理→將專用箔式應(yīng)變片粘貼于鋁合金板材表面→應(yīng)變花連接到靜態(tài)應(yīng)變儀上并調(diào)零→鉆具安裝在構(gòu)件上并對準應(yīng)變花中心→鉆孔和擴鉆→二次分別讀取釋放應(yīng)變值→計算殘余應(yīng)力。

測量結(jié)果

試驗結(jié)果顯示：60mm左右厚度規(guī)格的6061鋁合金板厚板，經(jīng)1.9%左右的拉伸量后其殘余應(yīng)力值較小。

適用性驗證結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，將60mm左右厚度的6061鋁合金厚板拉伸量設(shè)定為2.0%，進行該合金、規(guī)格的生產(chǎn)驗證。供進行了36批60mm左右規(guī)格的6061預(yù)拉伸板，其實際拉伸量約1.8%-2.1%，經(jīng)使用證明其加工變形程度與進口材料相當。工業(yè)化驗證結(jié)果表明，對60mm左右的規(guī)格的6061預(yù)拉伸板來說，采用1.9%左右的拉伸量，其殘余應(yīng)力消除效果較好。

分析與討論

對于鋁合金而言，淬火殘余應(yīng)力主要是冷卻時巨大的溫度梯度引起的熱應(yīng)力。淬火剛開始時，加熱后的板材快速進入淬火區(qū)，此時由于板材表層金屬冷卻速率比內(nèi)層金屬大，表層金屬驟冷急劇收縮，由于板材的整體連續(xù)性，故表層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)層金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力。隨著板材進一步冷卻，最終是內(nèi)層金屬驟冷急劇收縮，使應(yīng)力重新分配，最后導(dǎo)致表層金屬有殘余壓應(yīng)力，內(nèi)層金屬有殘余拉應(yīng)力。淬火后板材殘余應(yīng)力大小、分布與金屬特性、淬火前應(yīng)力分布、淬火溫度、冷卻速度等因素密切相關(guān)。也就是說不同合金經(jīng)不同的軋制、淬火等工藝，其表層及內(nèi)層殘余應(yīng)力是不相同的。本次實驗所選的3塊試驗料均采用相同鑄錠、相同生產(chǎn)工藝，其淬火后板材殘余應(yīng)力是一致的，因此，通過檢測經(jīng)不同拉伸量的板材的殘余應(yīng)力狀況，可驗證拉伸量對殘余應(yīng)力消除效果。

對淬火后的板材進行預(yù)拉伸的實質(zhì)是通過外加拉伸力與原來的淬火殘余應(yīng)力相互作用發(fā)生新的塑性變形，釋放和消減殘余應(yīng)力，并達到新的內(nèi)應(yīng)力平衡。對淬火后的板材進行拉伸，無論是受壓應(yīng)力的表層金屬，還是受拉應(yīng)力的內(nèi)層金屬，它們在受到外力的作用后都將發(fā)生變形，當給予的拉伸力超過該金屬的彈性極限后，就會發(fā)生塑性變形。隨著拉伸的不斷進行，表層金屬由壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，而內(nèi)層金屬則受拉應(yīng)力的作用。當拉伸量達到一定值后松開夾具，鋁合金板會發(fā)生彈性恢復(fù)，只留下塑性變形，在回彈過程中，應(yīng)力會被釋放。拉伸量太小，板材僅作彈性變形或較小的塑性變形，其塑形變形產(chǎn)生的應(yīng)力不足以抵消原有的淬火殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力值仍較大。隨著拉伸量的增加，當拉伸量到某恰當值時，理論上其殘余應(yīng)力可接近于0MPa。拉伸量繼續(xù)增加，板材的過量塑性變形會產(chǎn)生額外的應(yīng)力疊加從而使最終的殘余應(yīng)力消除效果減弱。因此，為了獲得較好的殘余應(yīng)力消除效果，必須合理的匹配預(yù)拉伸時的拉伸量，過大或過小的拉伸量給定，其殘余應(yīng)力消除效果均不理想。從表1中可以看出，本試驗中1#板材實際拉伸量為1.5%，其長度方向殘余應(yīng)力36.8MPa，寬度方向殘余應(yīng)力60.68MPa，殘余應(yīng)力值較大，主要是塑性變形較小，回彈過程中應(yīng)力釋放不夠充分。2#板材實際拉伸量為1.9%，其長度方向殘余應(yīng)力26.78MPa，寬度方向殘余應(yīng)力46.02MPa，殘余應(yīng)力值較小，這是由于塑性變形適中，塑性變形引起的新應(yīng)力較好的抵消或消減了原有的淬火殘余應(yīng)力。3#板材實際拉伸量為2.4%，其長度方向殘余應(yīng)力55.97MPa，寬度方向殘余應(yīng)力87.84MPa，殘余應(yīng)力值較大，這是因為在內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)時繼續(xù)增加拉伸量，過量塑性變形產(chǎn)生了額外的應(yīng)力疊加，從而使最終的殘余應(yīng)力消除效果減弱。從殘余應(yīng)力檢測結(jié)果及生產(chǎn)驗證結(jié)果均可以明顯看出，對于60mm厚度的6061鋁合金厚板，采用1.9%左右的拉伸量其殘余應(yīng)力消減效果較好。

結(jié)論

1. 為更好的消減預(yù)拉伸板殘余應(yīng)力應(yīng)匹配合適的拉伸量，拉伸量過大或過小其殘余應(yīng)力消減效果均不理想。

2.對于60mm厚的6061鋁合金板，經(jīng)1.9%拉伸量板材殘余應(yīng)力消減效果較好，其殘余應(yīng)力值為45MPa左右。