沈陽航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告題院目:航空鋁合金坯料的內(nèi)應(yīng)力及其控制方法研究（部）航空航天工程學(xué)部學(xué)科、專業(yè)航空宇航制造工程導(dǎo)師王哲峰研究生胡耀陽學(xué)號(hào)201006121開題報(bào)告日期 2011、11、5 研究生學(xué)院制1課題來源及研究的目的和意義本課題為自選課題。盡管本課題以哈東輕所產(chǎn)的2024鋁合金為研究對(duì)象，但相關(guān)模型、理論、措施和方法具有更為廣泛的通用性。1854年，法國化學(xué)家德維爾把鋁磯土、木炭、食鹽混合，通入氯氣后加熱得到NaCl、AICL3復(fù)鹽，再將此復(fù)鹽與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。這時(shí)的鋁十分珍貴o1886年，美國的豪爾和法國的海朗特，分別獨(dú)立地電解熔融的鋁磯土和冰晶石的混合物制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。近一個(gè)世紀(jì)的歷史進(jìn)程中，鋁的產(chǎn)量急劇上升，到了20世紀(jì)60年代，鋁在全世界有色金屬產(chǎn)量上超過了銅而位居首位，這時(shí)的鋁已不單屬于皇家貴族所有，它的用途涉及到許多領(lǐng)域，大至國防、航天、電力、通訊等，小到鍋碗瓢盆等生活用品，其化合物在醫(yī)藥、有機(jī)合成、石油精煉等方面也發(fā)揮著重要作用。所有的有色金屬及其合金與鋼鐵材料組成了國民經(jīng)濟(jì)所必須的全部金屬材料。鋁及其合金是有色金屬中用途較廣的輕金屬之一，它具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好且具有較好的耐蝕性。隨著近代機(jī)械制造工業(yè)如航空、航海、汽車工業(yè)的發(fā)展；石油化工、電信和原子能及空間技術(shù)等新型工業(yè)的崛起，鋁合金的使用量在日益增加，因而在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，提高運(yùn)載能力和速度，在航空、航海、高速列車等交通運(yùn)輸工業(yè)中大量采用鋁合金構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼的蒙皮等。隨著汽車速度的提高，設(shè)法改進(jìn)其設(shè)計(jì)，減輕自重，故發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體、活塞、工作缸與主缸、輪轂等采用鋁合金制造。摩托車與自行車行業(yè)也大量采用鋁合金，如摩托車的減震器、上連板、起動(dòng)桿、杠頭，自行車的曲柄、鏈輪、輪轂等。鋁合金在其他行業(yè)如印刷機(jī)械、電力與電器設(shè)備、離心機(jī)與鐵路機(jī)具等都獲得了及其廣泛地應(yīng)用。各種飛機(jī)都以鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料。飛機(jī)上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造。飛機(jī)依用途的不同，鋁的用量也不一樣。著重于經(jīng)濟(jì)效益的民用飛機(jī)因鋁合金價(jià)格便宜而大量采用，如波音767客機(jī)，鋁合金約占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的81%。軍用飛機(jī)因要求有良好的作戰(zhàn)性能而相對(duì)減少鋁的用量，如最大飛行速度為馬赫數(shù)2.5的F-15高性能戰(zhàn)斗機(jī)僅使用35.5%的鋁合金。有些鋁合金有良好的低溫性能，在-183?-253°C下不冷脆，可在液氫和液氮環(huán)境下工作，它與濃硝酸和偏二甲肼不起化學(xué)反應(yīng)，具有良好的焊接性能，因而是制造液體火箭的好材料。發(fā)射“阿波羅”號(hào)飛船的“土星”5號(hào)運(yùn)載火箭各級(jí)的燃料箱、氧化劑箱、箱間段、級(jí)間段、尾端和儀器艙都用鋁合金制造。2024鋁合金由于強(qiáng)度高、比重低、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用作飛機(jī)蒙皮、骨架、肋梁、隔框，衛(wèi)星、火箭、宇宙飛船、導(dǎo)彈等航天器，以及高速列車、地下列車、城市輕軌列車、豪華汽車、船舶等交通運(yùn)輸工具等等要求承受高循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件上，已成為航空工業(yè)使用最為廣泛的鋁合金材料之一。鋁合金2024-T4為Al-Cu-Mg系硬鋁型合金，可熱處理強(qiáng)化，該合金的性能隨熱處理狀態(tài)不同有較大差異，T4狀態(tài)下具有較高的抗拉強(qiáng)度和韌性，其綜合力學(xué)性能和高溫抗蠕變性能優(yōu)良，高溫軟化傾向小。其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2：老\協(xié)合金20的化爭僦分￡質(zhì)皿勞數(shù)購Tab.1Choilcaiconslitiiionaf2024Alalloy材料FeCUMnMg Zh " 曲也元索AI單個(gè)2Q&4 05松49DM自025 0i15 Cr0.1B+Zr0.2006015余扯云2鉗舎芻20淇室溫力學(xué)性陸rtiechaicdprcpmi獸of&4AI旳oy斬厭強(qiáng)度crQMPa 航剪歿度1'MPa延何沖U/%47032S 2&520航空整體結(jié)構(gòu)件通常采用高強(qiáng)度變形鋁合金厚板直接銃削加工而成。為獲得理想的機(jī)械性能，鋁合金預(yù)拉伸板必須經(jīng)過軋制、固溶、拉伸、時(shí)效等一系列工藝流程，在這些過程中因存在不均勻的溫度場和不均勻的彈塑性變形，板內(nèi)產(chǎn)生了殘余內(nèi)應(yīng)力。在加工過程中，隨著材料的不斷去除，板內(nèi)殘余內(nèi)應(yīng)力釋放與重分布，原來的應(yīng)力自平衡狀態(tài)遭到破壞，工件只有通過變形才能達(dá)到新的平衡狀態(tài)。已有研究表明：毛坯初始?xì)堄鄡?nèi)應(yīng)力的釋放和重新分布是引起航空整體結(jié)構(gòu)件加工變形的重要原因之一。在各種機(jī)械和機(jī)器的制造過程中，零件內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。實(shí)際上，各種零部件加工時(shí)，構(gòu)件其內(nèi)部不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的情況是很少的。即使不經(jīng)過任何機(jī)械加工，坯料本身也是存在內(nèi)應(yīng)力的。所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，特別是其應(yīng)力值的大小，是隨各種加工方法或處理方法而有差別的。機(jī)械加工如拉拔、擠壓、軋制、矯正、切削、磨削、表面滾壓、噴丸或錘擊等，以及熱加工的焊接、切割、鑄造還包括淬火、回火之類的熱處理等，都會(huì)產(chǎn)生各不相同的內(nèi)應(yīng)力。加工時(shí)對(duì)內(nèi)應(yīng)力必須給予應(yīng)有的重視。例如經(jīng)熱處理和機(jī)械加工后零件尺寸大的變形、磨削時(shí)的開裂、應(yīng)力腐蝕和鑄造、焊接時(shí)的尺寸變化、開裂等都與加工過程和工件的各種弊病有關(guān)。所以就要采用相應(yīng)的措施如：對(duì)內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測定，并對(duì)其影響作出估計(jì)。但由于工藝方法改善和材料獲得改進(jìn)，而使得觀察不到這些弊病時(shí)，就降低了對(duì)內(nèi)應(yīng)力的注意，這就是盡管很早就開展了關(guān)于內(nèi)應(yīng)力的研究，但其進(jìn)展一直不大的原因。然而，內(nèi)應(yīng)力存在的重大意義就在于它對(duì)構(gòu)件機(jī)械性能的影響和對(duì)它的利用。實(shí)際上在機(jī)械的使用過程中，發(fā)生意外的破壞事故時(shí)，除材料本身的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度之外，多數(shù)是由于內(nèi)應(yīng)力的影響造成的，特別是它對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響就更為重要。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力具有良好的應(yīng)力分布時(shí)，效果極好。例如，對(duì)經(jīng)噴丸強(qiáng)化的部位施加交變應(yīng)力時(shí)，因?yàn)榇颂幰旬a(chǎn)生有效的殘余壓應(yīng)力，從而減低了初始負(fù)載作用的平均應(yīng)力。最近為了有效的利用這種內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)行了越來越多的研究。對(duì)固態(tài)變形體的受力、變形規(guī)律及回彈問題的理論和準(zhǔn)則的研究，構(gòu)成了材料學(xué)的重要內(nèi)容，同時(shí)也是擺在航空工作者面前的亟待解決的重要基礎(chǔ)性科研任務(wù)，對(duì)我國乃至世界航空工業(yè)的發(fā)展具有巨大意義。2國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前為止，國內(nèi)外有關(guān)2024鋁合金的研究已有大量報(bào)道：李晗等利用正交試驗(yàn)研究了熱處理對(duì)2024鋁合金薄板力學(xué)性能的影響，提出了2024-T62態(tài)較優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)。王軼農(nóng)等研究了冷軋態(tài)2024鋁合金的再結(jié)晶織構(gòu)及晶界特征分布。NINGAi-lin等研究了固溶后大冷變形對(duì)2024鋁合金析出及性能的影響。F.M.Khoshnaw等研究了時(shí)效溫度和時(shí)間對(duì)2024鋁合金剝落腐蝕性能的影響。熊少敏等研究了2024鋁合金中的沉淀相對(duì)其PLC效應(yīng)的影響。Jones,K等對(duì)2024鋁合金的腐蝕疲勞及裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究。劉成、羅兵輝等就有關(guān)2024鋁合金均勻化處理前后顯微組織變化、成分變化和均勻化動(dòng)力學(xué)有過報(bào)道。歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形問題非常重視，美國的波音公司依托密西根大學(xué)等若干世界著名大學(xué)，在政府和軍工企業(yè)集團(tuán)的共同支持下，正在共同研究和開發(fā)能夠有效抑制整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形的工藝參數(shù)優(yōu)化理論和有限元模擬軟件。巴黎航空工業(yè)學(xué)院與法國國家宇航局針對(duì)航天飛行器整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造問題，聯(lián)合建立了專門的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。由于涉及保密問題，可查閱的關(guān)于整體結(jié)構(gòu)件加工變形方面的文獻(xiàn)資料較少。2.2對(duì)本課題相關(guān)問題的分析航空鋁合金厚板在成形和熱處理過程中，其內(nèi)部不可避免地引入殘余內(nèi)應(yīng)力。有關(guān)研究表明：鋁合金在固溶化淬火處理時(shí)產(chǎn)生很大的殘余內(nèi)應(yīng)力，甚至接近材料的屈服強(qiáng)度。因此為了降低毛坯初始?xì)堄鄡?nèi)應(yīng)力的釋放引起的加工變形，必須設(shè)法抑制與消除鋁合金板材內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力。采用抑制方法控制殘余內(nèi)應(yīng)力，即借助數(shù)值模擬技術(shù)研究淬火工藝參數(shù)，從源頭上盡量抑制淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。然而，由于鋁合金淬火殘余應(yīng)力很大，在實(shí)際操作中通過優(yōu)化淬火工藝參數(shù)降低殘余應(yīng)力的效果有限，因此有必要進(jìn)一步安排專門的消除淬火殘余內(nèi)應(yīng)力的工藝，常用的有恒溫時(shí)效法、機(jī)械拉伸法、深冷處理法、振動(dòng)時(shí)效法、冷熱循環(huán)法等方法，其中機(jī)械拉伸法、深冷處理法和振動(dòng)時(shí)效法效果較理想。機(jī)械拉伸法是將淬火后的鋁合金板材，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，沿軋制方向進(jìn)行拉伸，使拉伸應(yīng)力與板內(nèi)原來的淬火殘余內(nèi)應(yīng)力疊加后發(fā)生塑性變形，使得殘余應(yīng)力得以緩和與釋放。研究表明：預(yù)拉伸量的大小影響殘余內(nèi)應(yīng)力的消除效果，最佳預(yù)拉伸量為2%?3%，最高可消除90%以上的殘余內(nèi)應(yīng)力。深冷處理法是將含有殘余應(yīng)力的毛坯浸入液氮中深冷，待內(nèi)外溫度均勻后又迅速地用熱蒸汽噴射，通過急冷與急熱產(chǎn)生方向相反的熱應(yīng)力來消除原來的殘余內(nèi)應(yīng)力場。在選擇合適的工藝參數(shù)條件下，深冷處理法可降低20%?84%的殘余內(nèi)應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效法的工作原理是用一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)力激振器，使工件產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生如同機(jī)械加載時(shí)的彈性變形，使零件內(nèi)部某些部位的殘余內(nèi)應(yīng)力的降低與重新分布。已有相關(guān)研究指出：當(dāng)鋁合金在淬火后處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（淬火后0?2個(gè)小時(shí)內(nèi)）對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)，效果最佳，殘余內(nèi)應(yīng)力可降低50%?70%；而若在淬火后放置360個(gè)小時(shí)后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效，殘余內(nèi)應(yīng)力只能消除10%?20%。內(nèi)應(yīng)力的測定方法大致可分為機(jī)械測定法和物理測定法。機(jī)械測定法的測量原理是將具有內(nèi)應(yīng)力的部分，用一定的方法進(jìn)行局部的分離或分割，從而使內(nèi)應(yīng)力被局部釋放，測定此時(shí)的變形情況，然后建立彈性力學(xué)相關(guān)的模型、理論，求出其值。而物理法是采用X射線和磁性的方法等。由于是利用晶體的X射線衍射現(xiàn)象和材料的磁性來求解內(nèi)應(yīng)力，所以此時(shí)不需將材料進(jìn)行分離或分割，即可以直接求得內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械方法是以測定宏觀內(nèi)應(yīng)力為對(duì)象的，而一般微觀殘余應(yīng)力是用物理法，它既能測宏觀內(nèi)應(yīng)力、又能測微觀內(nèi)應(yīng)力。3主要研究內(nèi)容（1） 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，主要集中在用什么樣的傳感器，選擇哪種電路連接方式，設(shè)計(jì)一種既能保證使用性能，又簡單便宜的可移動(dòng)式便捷工具，而不是之前人們用帶有刻度的顯微鏡人工觀察，以提高效率、精度，降低人為誤差、成本。（2） 對(duì)于某種大型板料，結(jié)合擊打的預(yù)拉伸，模擬在什么位置擊打、使用多大的拉伸載荷與擊打力。表現(xiàn)為模擬得到的應(yīng)變狀況，分析之?；蛘咧苯虞敵鰹閮?nèi)應(yīng)力分布圖?？茨芊裉砑悠渌蛩?，運(yùn)用正交試驗(yàn)法。（3） 數(shù)字模擬：問題集中在如何得到合適的毛坯，在后續(xù)銃削過程中不變形，或者控制變形范圍，比較復(fù)雜，跟解決鑄造、鍛壓、軋制等過程中的熱應(yīng)力集中關(guān)系更為密切。通過對(duì)局部加熱進(jìn)行的熱應(yīng)力釋放需要進(jìn)一步考慮，對(duì)同一機(jī)械試驗(yàn)手段用幾組不同大小的載荷、加載方式、曲度、撓度等，模擬板料內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元變化情況，探討這些因素的優(yōu)化組合。該問題瓶頸：毛坯件的真實(shí)性反映，或前人做過的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（4） 幾種措施：應(yīng)該用局部加熱方法比較經(jīng)濟(jì)、簡單，就是用氣焊加熱材料表面使應(yīng)力釋放，因?yàn)槠渲饕l(fā)生在表面。其它措施在此不一一贅述。4研究方案及進(jìn)度安排，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)4.1研究方案及進(jìn)度安排2012.1：課題調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、軟硬件準(zhǔn)備。2012.1-2012.5:做實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)。2012.5-2012.8：提出措施，實(shí)施，模擬對(duì)比。2012.8-2012.11：課題總結(jié)，編寫論文。2012.1：論文定稿，送交校內(nèi)外專家審閱。4.2預(yù)期目標(biāo)對(duì)航空鋁合金坯料的內(nèi)應(yīng)力有了詳盡系統(tǒng)的認(rèn)知，所提出的幾種方法能有效的控制或者消除殘余內(nèi)應(yīng)力。發(fā)表2篇以上較高質(zhì)量的科技論文。5為完成課題已具備和所需的條件和經(jīng)費(fèi)相關(guān)硬件設(shè)施基本購置齊全，花費(fèi)數(shù)千元，全部由課題組自己承擔(dān)。6預(yù)計(jì)研究過程中可能遇到的困難和問題以及解決的措施測試精度不夠。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭配、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)制造及購買相關(guān)工具等問題上，課題組不辭辛苦，精益求精。并采取大量試驗(yàn)取平均值的方法盡可能的減小人為誤差，保證數(shù)據(jù)可靠性。知識(shí)欠缺嚴(yán)重。課題組將在數(shù)字模擬過程中，有效查閱資料，充分利用圖書館資源，掌握該課題相關(guān)的有限元軟件使用方法、正交試驗(yàn)法。經(jīng)費(fèi)壓力巨大。課題組自己墊付。7主要參考文獻(xiàn)張新華，劉勁松等?某型火箭整體壁板增量壓彎成形試驗(yàn)[J].航空制造技術(shù),2004,(2):92?94.曹庚順，胡春曉等?俄羅斯飛機(jī)整體壁板成形技術(shù)J].航空科學(xué)技術(shù),1995,(6):28?30.《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì)?航空制造工程手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1992.Jang,jae-II.EvaluationofWeldingResidualStressesinPowerPlantFacilitiesbyUsingaNewlyDevelopedIndentationTechnique[?.Proceedingsofthe21stInternationalConferenceonOffshoreMechanicsandArcticEngineering-OMAE,2002.G.S.Schajer.Advances 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