航空鋁合金殘余應力檢測應用現狀
發布時間：2021/09/06
航空結構件品種繁多、形態復雜、選材各異，而引起加工變形的原因與毛坯的材質、零件的幾何形狀以及生產條件等眾多因素有關，是一個典型的復雜系統制造問題。
正因為影響因素的復雜多樣性，使之成為現代飛機制造中的瓶頸之一，也是國際上長期關注而又待解決的世界性難題。
國際上對航空結構零件加工變形的研究一直非常重視，數十年來，美、法、俄、德、日等國家航空航天局及有關研究機構與大學進行了長期不懈的研究。并從航空構件毛坯成形、熱處理與機械加工各個制造環節，研究加工變形機理，指出殘余應力是導致加工變形的首要因素。
為了控制加工變形，首先控制航空結構件毛坯的殘余應力水平;同時深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題，并采用高速加工技術來控制加工變形。但作為涉及航空、航天與軍事的關鍵技術，國外對其成功的經驗秘而不宣，并施加了嚴格的知識產權保護措施。
在波音飛機的轉包過程中，我國技術人員曾多次試圖與波音公司專家討論飛機零件數控加工的變形問題，但均因保密而遭拒絕。
飛機整體構件變形原因
目前，國內經過多年研究及驗證，初步得出了整體構件發生加工變形的三大因素：
1、毛坯殘余應力的釋放
(1)毛坯(鍛、鑄、鈑、棒等)經過熱成形后，冷卻過程中產生內應力，切削后內應力重新分布引起變形;
(2)毛坯本身的不平整誤差，將反映在加工后的零件上;
(3)零件經切削后，截面尺寸和形狀變化也會導致內應力分布的變化，從而引起變形。
2、切削熱與切削力引起的變形
(1)切削熱：在切削過程中，為克服材料的彈性變形、塑性變形和刀具與工件之間的摩擦所做的功，大部分轉化為切削熱，造成零件各部位溫度不均，使零件產生變形;
(2)切削力：刀具的切削分力，使零件表面在彈性恢復后產生不平度;
(3)殘余內應力：加工后的殘余內應力重新分布，將使加工好的零件變形。
3、工件的裝夾變形與回彈
(1)因薄壁零件剛性差，加工時夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度;
(2)因夾緊力與支承力的作用點選擇不當，會引起附加應力。
圖1-1 影響航空結構件加工精度的因素
除了上述原因外，機床、工裝的剛度，加工環境的溫度，刀具的磨損，零件冷卻散熱情況等等對零件的變形也都有一定的影響，圖1—1較為詳細地列舉了影響航空整體結構件加工變形產生的各個因素。
殘余應力的影響
殘余應力對鋁合金構件的強度、疲勞壽命、抗應力腐蝕性能和結構尺寸穩定性都有很大影響。
(1)殘余應力對材料靜強度的影響
若具有殘余應力的構件承受外載作用，則構件的實際應力為殘余應力與工作應力之代數和，這相當于改變了應力一應變曲線。因此，拉伸殘余應力將降低拉伸屈服極限，提高壓縮屈服極限;而壓縮殘余應力效應則相反。若合成載荷超過材料的屈服強度，即發生塑性變形，殘余應力將松馳。如果材料的屈服比a。/0b很大，其塑性變形容量很小時，必須考慮殘余應力對靜強度的影響。
(2)殘余應力對疲勞強度的影響
人們習慣上認為，壓縮殘余應力能顯著提高構件的疲勞強度，而拉伸殘余應力會降低疲勞強度，因此在實用中往往通過表面強化處理引入壓縮殘余應力，從而有效地提高疲勞強度。實際上，殘余應力對疲勞的影響因條件和環境的不同而改變，它與材料的性能和外載形式、殘余應力分布及在應力交變過程中的穩定性等因素有關，正確估算構件的疲勞壽命是工程界有待解決的問題之一。
(3)殘余應力對腐蝕開裂的影響
當材料處于靜應力作用下，在腐蝕性介質的環境中經歷一定時間后就發生開裂，并擴展到整個截面而破壞，這就是應力腐蝕開裂。拉應力和腐蝕介質共存是應力發生開裂的必要條件。在應力腐蝕開裂問題中，殘余應力的作用與載荷應力相同，殘余拉應力的存在使腐蝕速度加速，而壓縮殘余應力的效應則恰恰相反，因而可以防止和降低應力腐蝕開裂。作為防止應力腐蝕開裂的常用措施有表面滾壓、噴丸或氮化等，其原理都是使構件表面產生殘余壓應力。
(4)殘余應力對構件加工精度與尺寸穩定性的影響
工程構件在熱處理和鍛壓成形過程中往往存在非常大的殘余應力場，若進行機械加工，隨著材料的不斷去除，被切除材料內部的殘余應力將得到釋放，剩余材料的殘余應力重新分布直至達到內力平衡，從而導致構件變形。同樣，構件在使用過程中受到外力、溫度等因素作用時殘余應力將發生松馳與再分布，則能破壞構件的尺寸穩定性，這也是工程界有待解決的問題之一。
航空鋁合金殘余應力測試與評估技術研究現狀
有關殘余應力的測定以及對材料性能影響的研究日益為工程技術界重視。世界界各國數十年來投入了大量的人力與物力進行了長期不懈的研究。從20世紀30年代發展至今，已形成了數十種殘余應力測試技術與方法，比較成功地解決了大量的工程實際問題。然而，現有的殘余應力測試理論、技術、方法與設備等各方面都已難以滿足工程實際的迫切需要。
首先，現有的殘余應力測試理論、技術與方法都是基于彈性力學各向同性、線彈性與二維均勻分布應力場的理想假設，這與工程實際問題普遍不符，實際上，材料及其制品內部的殘余應力一般是三維狀態。
其次，現有的各種殘余應力測試技術僅適合于測試簡單構件表面或淺表層的殘余應力，難以用于測定復雜結構件與厚壁件內部的殘余應力。
再次，迄今為止，國內外尚無人研究如何建立包括構件表面與內部整個殘余應力場的普適模型，用來系統地分析與判斷殘余應力對于材料性能的影響。
有關研究報告指出，航空結構件內部殘余應力是引起零件變形的主要原因之一。因此，最大限度地提高航空鋁合金結構件內部殘余應力的測試精度與可信度，直接影響到定量評估殘余應力對強度、壽命及尺寸穩定性影響的可信度與準確度。為了有效地評估各種航空結構件殘余應力分布與應力消除工藝的實際效果，必須具有精確的殘余應力測試技術。
中子法與同步衍射法是測定工程零部件內部的殘余應力的理想方法，但我國缺乏該方面的實驗設備，檢測技術應用不夠成熟;
剝層法與割縫法雖然也能測定內部殘余應力，但只能測形狀簡單零件單(雙)軸向應力;
X射線法與鉆孔法是目前國內最常用的殘余應力測試技術。鉆孔法可用于測定零件淺表層深度二維殘余應力場。
X 射線法原本測定零件表面的殘余應力，若輔之以剝層法或化學蝕刻法，也可測定零件內部的殘余應力分布。但是由于蝕刻非常耗時，蝕刻層深度精度與蝕刻區域的幾何形狀均難以控制，最大蝕刻深度也有限，因此，這最常用的兩種辦法需要大量實踐經驗與操作。
關于殘余應力檢測技術，可以查看以往文章：殘余應力檢測技術匯總
結語
事實上，殘余應力引起工程結構件變形與尺寸不穩定性的現象普遍存在，但長期以來，行業內竟出奇地保持沉默。
究其根源，一方面國內外對殘余應力引起加工變形與尺寸不穩定性的機理分析、預測與控制等相關理論缺乏系統研究;另一方面，構件中的殘余應力是引起其尺寸不穩定性以及加工變形的根源之一，但僅是提供一種引起尺寸不穩定性的潛在因素，實際加工變形，不僅跟殘余應分布形式與大小有關，還與零件形狀與尺寸、機械加工藝參數、加工順序與走刀軌跡等等一系列因素有關。因此很多企業往往根據經驗解決變形，并不愿意在殘余應力研究上投入精力，這也是我國在加工變形控制方面略有欠缺的地方。殘余應力的檢測及控制，值得制造業長遠的關注與研究。
文章摘抄改編自：《航空鋁合金殘余應力消除及評估技術研究》，作者：王秋成
