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温度对7075铝合金FSW构件的应力松弛行为的影响

文章出处:人气:0发表时间:2018/3/28 12:56:07

  制定实验方案,进行单轴蠕变高温拉伸试验,对比 7075 铝合金 FSW 构件三种不同蠕变温度(160℃、180℃、200℃)下,通过实验得到式样标距经蠕变拉伸后的式样变形量 L 的实验数据,利用公式(3-1)计算可得到相应蠕变应变 对应值,经计算处理后的数据如表 4-1 所示:

表 4-1 不同温度下的蠕变应变

表 4-1 不同温度下的蠕变应变

  应用 Origin 绘制出不同温度下的蠕变应变曲线,如图 4-1。由图可知,7075铝合金 FSW 构件在 160℃~200℃区间内,蠕变应变随着温度的升高而增大;在 0~6小时阶段内,应变变化率较大,超过 6 小时以后,应变变化率逐渐降低,并且逐渐趋于平稳。

图 4-1 不同温度下的蠕变应变曲线

图 4-1 不同温度下的蠕变应变曲线

应力松弛曲线分析图:

   4-2 为 7075 铝合金 FSW 式样在不同温度下应力松弛过程中的应力松弛曲线。时效成形过程中存在典型的应力松弛行为。研究表明[31],铝合金的应力松弛是在一定条件下,应力随着时间延长不断衰减的过程,变形方式以蠕变为主。在成形过程中式样内的弹性应变随着时间的延长不断转化为塑性应变,从而导致初始应力不断衰减。在应力衰减的过程中铝合金通过蠕变将可回复的弹性应变逐渐转化为永久的塑形应变。

  图中显示,应力松弛过程中,7075 铝合金 FSW 式样在 160℃时应力下降的较为缓慢,180℃时应力下降的较快,而 200℃的铝合金式样应力下降最快。上述结果表明,温度越高时,蠕变应变越大。

图 4-2 FSW 式样应力松弛过程中的应力松弛曲线

表 4-2 为不同蠕变温度下的应力松弛极限:

表 4-2 不同蠕变温度下的应力松弛极限

表 4-2 不同蠕变温度下的应力松弛极限

  从表中可看出,应力松弛极限随着蠕变温度的升高而降低。但趋势有所降低,160℃~180℃时,应力松弛极限降低 14.7%,180℃~200℃时降低 6.9%。从图 4-2 及表 4-2 可以看出,应力松弛过程中,应力并不是一直降低,其下降有一个限度,当达到某个极限值时,曲线趋于平稳状态,这个极限值即应力松弛极限。这是应力松弛行为中的一个共同特点。应力松弛行为也可以用另一个重要参数来体现——应力松弛速率。应力松弛速率反映应力松弛的快慢程度,其值是通过计算应力与时间的导数得到的。

 应力松弛速率曲线分析:

  根据图 4-2 的数据及图形特征,用 origin 软件拟合绘制出构件应力松弛速率曲线。图 4-3(a)、(b)、(c)描述了 7075 铝合金 FSW 构件在不同温度下应力松弛过程中应力松弛速率随时间变化的规律。

图 4-3(a) 式样在 160℃应力松弛过程的松弛速率拟合曲线及应力松弛曲线拟合方程

图 4-3(a) 式样在 160℃应力松弛过程的松弛速率拟合曲线及应力松弛曲线拟合方程

图 4-3(c) 式样在 200℃应力松弛过程的松弛速率拟合曲线及应力松弛曲线拟合方程

图 4-3(c) 式样在 200℃应力松弛过程的松弛速率拟合曲线及应力松弛曲线拟合方程

  对比图 4-3(a)、(b)、(c)的拟合松弛速率曲线,曲线的走势基本相同,图中显示,应力松弛速率曲线的斜率基本划分为 3 部分,其分别对应了应力松弛过程的 3个阶段。在曲线的起始部分,曲线非常陡峭,其斜率绝对值大,曲线基本接近垂直,紧接着在松弛过程的过渡区阶段,曲线的斜率慢慢变缓,呈现为圆滑部分,最后斜率基本保持不变且其值趋近为零。

  由此可以反映出,在应力松弛的起始阶段,材料的弹性变形大部分转变为塑性变形并且在此过程中释放应力。在应力松弛最后阶段,应力释放速率越来越趋近于零,说明塑性变形非常少,基本可以忽略,此过程中只有及其少量的塑形应变发生。

图 4-3(a)、(b)、(c)中右边的表格为不同温度下应力松弛曲线拟合方程。其拟合方程均为y=cxlb)(ayn (4-1)

y 为蠕变应力; x 为蠕变时间。对公式 cxlb)(ayn 进行求导即得到不同温度下应力松弛过程中应力松弛速率的拟合曲线公式y=cxb)(y (4-2)

  为双曲线函数。根据已有的文献研究表明[32],7 系铝合金应力松弛曲线为对数衰减曲线,其对应的应力松弛速率曲线总体上也呈现为对数衰减曲线。本次拟合结果虽然并非对数衰减曲线,但其走势完全符合其实际应力松弛速率的变化规律。即应力松弛的初始阶段,3 种温度下应力松弛速率均快速下降,在应力松弛行为中期,松弛速率的下降变缓慢,应力松弛的最后阶段,应力松弛速率变的非常缓慢且趋近于零,在此阶段达到应力松弛极限。

  但从图 4-2,应力松弛曲线的切线斜率可看出,不同温度下的同一时刻,3 种式样的应力松弛速率有急有缓,在应力松弛过程起始阶段,200℃时的应力松弛曲线最为陡峭,其应力松弛速率大于 180℃,160℃时的应力松弛速率较低,即温度高,则起始的应力松弛速率也大,随应力松弛时间的增加,应力下降较快,可松弛的剩余应力减少,应力松弛速率降低幅度也大,经过一段时间的应力松弛后,出现温度高时的应力松弛速率反而小于温度低的情况,在应力松弛的最后阶段,温度高的应力松弛速率比温度低的优先趋近于零,即优先达到应力松弛极限。

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