在工程實(shí)踐中，各種大型結(jié)構(gòu)件在研制過程中都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，某大型板結(jié)構(gòu)鑄鋁合金件是艦炮裝配的基礎(chǔ)構(gòu)件，由于鑄造后進(jìn)行了時(shí)效處理，未出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象。但在小批試生產(chǎn)過程中連續(xù)出現(xiàn)構(gòu)件斷裂，為分析其斷裂原因，我們需對大型板結(jié)構(gòu)鑄鋁金件進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，了解其殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。
測試儀器及方案的確定
本次試驗(yàn)采用鉆孔法測殘余應(yīng)力，儀器為聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成，軟件式操作、實(shí)時(shí)顯示殘余應(yīng)力釋放曲線、可自動(dòng)生成報(bào)告。
本次試件選取了兩個(gè)斷裂的鑄鋁試件，構(gòu)件材料為ZL111,厚約400mm。根據(jù)兩個(gè)破損構(gòu)件裂紋走向，初步確定了最大殘余應(yīng)力分布，經(jīng)討論確定了以下測試方案：
1. 沿裂紋走向布置6至7個(gè)測試點(diǎn)。
2. 以已投入使用并在使用中未破壞的原構(gòu)件做參考進(jìn)行對比測試。
3. 采用振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力后進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，然后對殘余應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行對比。
鉆孔法測殘余應(yīng)力步驟
1. 將測點(diǎn)表面打磨清潔后在每個(gè)測點(diǎn)處粘貼應(yīng)變花和端子。
2. 焊接測量屏蔽線，放置打孔裝置，使用顯微鏡對準(zhǔn)，使打孔裝置的打孔中心與應(yīng)變花孔標(biāo)記中心一致。
3. 調(diào)節(jié)鉆孔深度，儀器調(diào)零后啟動(dòng)打孔設(shè)備，并打出直徑為1.5mm、孔深為2mm的圓孔。
4. 殘余應(yīng)力釋放，通過應(yīng)變儀測量該點(diǎn)應(yīng)變花3個(gè)方向的應(yīng)變量，軟件自動(dòng)計(jì)算出最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及角度，并記錄讀數(shù)。
測試數(shù)據(jù)及分析
對比構(gòu)件材料力學(xué)性能測試結(jié)構(gòu)如表1
原構(gòu)件及采用振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力措施后新構(gòu)件的殘余應(yīng)力測試結(jié)果對比如表2
對構(gòu)件的斷裂原因的分析及對策
試件鑄造過程中采用粘土砂作造型，使用輻射爐熔煉，爐材料為ZLD111鋁錠，澆注溫度控制在720-730℃，鑄件毛坯按GB9438-88驗(yàn)收后，進(jìn)行淬火+完全時(shí)效處理，并按GB1173-86對ZL111規(guī)定性能進(jìn)行檢查。構(gòu)件在運(yùn)輸和加工過程中出現(xiàn)斷裂，說明殘余應(yīng)力已超過材料的屈服極限，經(jīng)過構(gòu)件加工工序和時(shí)間與相關(guān)材料對比分析，確定殘余應(yīng)力來自兩個(gè)方面：一是淬火和時(shí)效處理后的鑄件仍存在較大的殘余應(yīng)力。從鑄件殘余應(yīng)力時(shí)效松弛曲線可看出：一周時(shí)效遠(yuǎn)不能消除殘余應(yīng)力；二是機(jī)加過程中刀具擠壓和摩擦也使構(gòu)件表面應(yīng)力進(jìn)一步疊加。當(dāng)工件在外部因素觸發(fā)下（比如撞擊）或局部表面刀口應(yīng)力集中，產(chǎn)生Ⅰ型裂紋擴(kuò)展，最終演變成構(gòu)件的斷裂。
通過對構(gòu)件斷裂原因的確定和對試制以來的所有工件的過程比較，采取了以下對策：
1. 構(gòu)件鑄造完成后及時(shí)進(jìn)行去應(yīng)力退火。
2. 構(gòu)件淬火和時(shí)效處理后，至少進(jìn)行兩周的自然時(shí)效，自然時(shí)效最好在30度以上。
3. 采用機(jī)械方式消除加工過程中的應(yīng)力，從表2中可看出采用振動(dòng)時(shí)效處理后殘余應(yīng)力大大降低。
4. 在構(gòu)件設(shè)計(jì)中改善鑄件結(jié)構(gòu)和控制加工切削量也使減少殘余應(yīng)力的輔助手段。
結(jié)論
1. 原結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力較大，部分位置殘余應(yīng)力超過材料屈服極限，是某型艦炮大型鑄鋁件斷裂的主要原因，必須進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理。
2. 原構(gòu)件在進(jìn)行去應(yīng)力回火、淬火和時(shí)效處理后，應(yīng)盡可能延長時(shí)效處理時(shí)間；對機(jī)械加工過程中的殘余應(yīng)力采用振動(dòng)時(shí)效方法消除。
