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6061預拉伸板殘余應力檢測
閱讀：357 發布時間：2023-4-7 某廠生產6061預拉伸板其拉伸量給定僅規定了1.5%-3.0%的拉伸范圍，未按板材規格進行給定拉伸量的調整，導致鋁合金預拉伸板在使用及加工過程中因殘余應力過大發生嚴重變形。因此，急需對相應厚度規格的預拉伸板拉伸量與殘余應力匹配關系進行研究。結合工業化生產實際狀況，對經不同拉伸量的典型厚度規格(60mm)的6061鋁合金預拉伸板進行殘余應力檢測，分析其殘余應力消除效果與拉伸量之間的關系，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
用某廠生產的60mm厚6061鋁合金厚板作為試驗材料。這3塊預拉伸板材均采用相同生產工藝制備，生產工藝為：銑面-加熱-軋制-淬火-拉伸。
儀器采用聚航科技生產的JHMK殘余應力檢測系統，由JHYC靜態應變儀和JHZK殘余應力鉆孔裝置組成，多點檢測，軟件設置，自動實時計算殘余應力，并實時顯示和保存應力應變數值，生成殘余應力報告。
試驗方案
在板材淬火后，分別對其進行1.5%、2.0%、2.5%的預拉伸。然后用JHZK殘余應力專用鉆孔裝置在每張板材上鉆取2個孔，使用JHYC靜態應變儀分別測量其長度方向和寬度方向的殘余應力值，獲得該合金、規格下最小殘余應力對應的拉伸量。并將試驗所得較優拉伸量應用于工業化生產，跟蹤用戶加工變形情況，驗證該拉伸量的適用性。
殘余應力檢測過程
鋁合金板材表面處理→將專用箔式應變片粘貼于鋁合金板材表面→應變花連接到靜態應變儀上并調零→鉆具安裝在構件上并對準應變花中心→鉆孔和擴鉆→二次分別讀取釋放應變值→計算殘余應力。
測量結果
試驗結果顯示：60mm左右厚度規格的6061鋁合金板厚板，經1.9%左右的拉伸量后其殘余應力值較小。
適用性驗證結果
根據試驗結果，將60mm左右厚度的6061鋁合金厚板拉伸量設定為2.0%，進行該合金、規格的生產驗證。供進行了36批60mm左右規格的6061預拉伸板，其實際拉伸量約1.8%-2.1%，經使用證明其加工變形程度與進口材料相當。工業化驗證結果表明，對60mm左右的規格的6061預拉伸板來說，采用1.9%左右的拉伸量，其殘余應力消除效果較好。
分析與討論
對于鋁合金而言，淬火殘余應力主要是冷卻時巨大的溫度梯度引起的熱應力。淬火剛開始時，加熱后的板材快速進入淬火區，此時由于板材表層金屬冷卻速率比內層金屬大，表層金屬驟冷急劇收縮，由于板材的整體連續性，故表層金屬產生拉應力，內層金屬產生壓應力。隨著板材進一步冷卻，最終是內層金屬驟冷急劇收縮，使應力重新分配，最后導致表層金屬有殘余壓應力，內層金屬有殘余拉應力。淬火后板材殘余應力大小、分布與金屬特性、淬火前應力分布、淬火溫度、冷卻速度等因素密切相關。也就是說不同合金經不同的軋制、淬火等工藝，其表層及內層殘余應力是不相同的。本次實驗所選的3塊試驗料均采用相同鑄錠、相同生產工藝，其淬火后板材殘余應力是一致的，因此，通過檢測經不同拉伸量的板材的殘余應力狀況，可驗證拉伸量對殘余應力消除效果。
對淬火后的板材進行預拉伸的實質是通過外加拉伸力與原來的淬火殘余應力相互作用發生新的塑性變形，釋放和消減殘余應力，并達到新的內應力平衡。對淬火后的板材進行拉伸，無論是受壓應力的表層金屬，還是受拉應力的內層金屬，它們在受到外力的作用后都將發生變形，當給予的拉伸力超過該金屬的彈性極限后，就會發生塑性變形。隨著拉伸的不斷進行，表層金屬由壓應力逐步轉變為拉應力，而內層金屬則受拉應力的作用。當拉伸量達到一定值后松開夾具，鋁合金板會發生彈性恢復，只留下塑性變形，在回彈過程中，應力會被釋放。拉伸量太小，板材僅作彈性變形或較小的塑性變形，其塑形變形產生的應力不足以抵消原有的淬火殘余應力，殘余應力值仍較大。隨著拉伸量的增加，當拉伸量到某恰當值時，理論上其殘余應力可接近于0MPa。拉伸量繼續增加，板材的過量塑性變形會產生額外的應力疊加從而使最終的殘余應力消除效果減弱。因此，為了獲得較好的殘余應力消除效果，必須合理的匹配預拉伸時的拉伸量，過大或過小的拉伸量給定，其殘余應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%，其長度方向殘余應力36.8MPa，寬度方向殘余應力60.68MPa，殘余應力值較大，主要是塑性變形較小，回彈過程中應力釋放不夠充分。2#板材實際拉伸量為1.9%，其長度方向殘余應力26.78MPa，寬度方向殘余應力46.02MPa，殘余應力值較小，這是由于塑性變形適中，塑性變形引起的新應力較好的抵消或消減了原有的淬火殘余應力。3#板材實際拉伸量為2.4%，其長度方向殘余應力55.97MPa，寬度方向殘余應力87.84MPa，殘余應力值較大，這是因為在內應力處于平衡狀態時繼續增加拉伸量，過量塑性變形產生了額外的應力疊加，從而使最終的殘余應力消除效果減弱。從殘余應力檢測結果及生產驗證結果均可以明顯看出，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力消減效果較好。
結論
1. 為更好的消減預拉伸板殘余應力應匹配合適的拉伸量，拉伸量過大或過小其殘余應力消減效果均不理想。
2. 對于60mm厚的6061鋁合金板，經1.9%拉伸量板材殘余應力消減效果較好，其殘余應力值為45MPa左右。