摘 要:采用壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和深孔(DHD)法分別檢測兩種材料4種型號的發(fā)動機鑄 鐵氣缸蓋在熱處理前后的殘余應(yīng)力,分析了熱處理消除氣缸蓋殘余應(yīng)力的效果。結(jié)果表明:通過壓痕 應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法測得熱處理前后氣缸蓋表面的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力,兩種方法測得的殘余 應(yīng)力水平相當(dāng),除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋熱處理后的表面壓應(yīng)力峰值基本沒有下降;通過 DHD法 測得氣缸蓋深度方向存在拉應(yīng)力,熱處理工藝沒有降低氣缸蓋深度方向的拉應(yīng)力峰值;3號氣缸蓋可 以采用熱處理工藝消除表面殘余應(yīng)力,其余氣缸蓋熱處理前殘余應(yīng)力的水平較低,無需進行熱處理。

關(guān)鍵詞:氣缸蓋;鑄鐵;殘余應(yīng)力;熱處理工藝;壓痕應(yīng)變法;全釋放應(yīng)變法

中圖分類號:TG156.23 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)01-0008-03

應(yīng)力是造成發(fā)動機氣缸蓋在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂 紋和加工尺寸穩(wěn)定性差的原因之一。在發(fā)動機運轉(zhuǎn) 過程中,氣缸蓋會受到螺栓緊固力、燃氣爆發(fā)壓力以 及活塞、連桿等產(chǎn)生的慣性力和離心力的作用,這些 大小和方向都不相同的力,會使氣缸蓋發(fā)生輕微的 彎曲和扭轉(zhuǎn)。另外,在氣缸蓋鑄造過程中,會產(chǎn)生殘 余應(yīng)力,這使得氣缸蓋的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜[1]。采 取一些措施可以降低氣缸蓋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鑄造 殘余應(yīng)力。一般通過熱處理消除工件的鑄造殘余應(yīng) 力,不同熱處理工藝消除殘余應(yīng)力的效果略有不同, 這是由熱處理消除殘余應(yīng)力的機理決定的[2]。所以,準(zhǔn)確測定氣缸蓋在熱處理前后的殘余應(yīng)力,是制 定熱處理工藝的首要前提。目前,國內(nèi)氣缸蓋殘余 應(yīng)力檢測方法主要有盲孔法[3]和全釋放應(yīng)變法。兩 種方法一般都適合表面殘余應(yīng)力的檢測,但對于發(fā) 動機氣缸蓋,僅通過表面殘余應(yīng)力來評價熱處理前 后的殘余應(yīng)力狀態(tài)是不全面的。

為此筆者針對灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種氣缸蓋, 采用壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法和深孔(Deep-Hole Drill,DHD)法檢測其在熱處理前后的殘余應(yīng)力,來 評價熱處理消除殘余應(yīng)力的效果。壓痕應(yīng)變法用于 測量氣缸蓋的表面殘余應(yīng)力,并通過全釋放應(yīng)變法 對各檢測點的殘余應(yīng)力進行驗證,然后采用 DHD 法對氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力進行檢測,以獲得 較全面的殘余應(yīng)力檢測結(jié)果。

1 檢測原理

1.1 壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法

壓痕應(yīng)變法是通過壓痕外彈性區(qū)的應(yīng)變增量求 解原始殘余應(yīng)力的方法,采用應(yīng)變片作為測量用敏感 元件,在應(yīng)變花中心部位采用沖擊加載方式制造壓 痕,通過記錄壓痕外彈性區(qū)應(yīng)變增量的變化,再計算 得出殘余應(yīng)力。壓痕應(yīng)變法檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性高、穩(wěn) 定性好且操作便捷,是目前不依賴于材料的物性參數(shù) 且最接近無損檢測的一種應(yīng)力檢測方法[4]。壓痕應(yīng) 變法多用于檢測鋼結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力,在鋁合金、鈦 合金等結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用也逐漸增多。壓痕應(yīng)變法的 檢測范圍不受材料限制,對于不同的材料,需要獲得 與每種材料力學(xué)特性相關(guān)的殘余應(yīng)力計算函數(shù),這決 定了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。根據(jù) GB/T24179—2009 《金屬材料 殘余應(yīng)力測定 壓痕應(yīng)變法》,作者采用試 驗標(biāo)定和模擬標(biāo)定結(jié)合的方式,獲得了灰鑄鐵和蠕墨 鑄鐵的應(yīng)力計算函數(shù),見式(1)和式(2)。

式中:Y 為彈性應(yīng)變;X 為應(yīng)變增量,即壓痕前后的 應(yīng)變變化量。

根據(jù) GB/T31218—2014《金屬材料 殘余應(yīng)力 測定 全釋放應(yīng)變法》,通過測得 X,就可以計算得到 Y,再依據(jù)胡克定律,便可獲得殘余應(yīng)力。采用全釋 放應(yīng)變法可以對壓痕應(yīng)變法的結(jié)果進行驗證,全釋 放應(yīng)變法的檢測原理也是基于胡克定律,用于表征解剖后小塊近表面的殘余應(yīng)力[5]。作者采用的壓痕 應(yīng)變法檢測設(shè)備是中國科學(xué)院金屬研究所自主研發(fā) 的 KJS系應(yīng)力檢測系統(tǒng),見圖 1,該系統(tǒng)包括 KJS 系應(yīng)力檢測儀和 FS4240型帶鋸床及 DK7735型電 火花切割機。

1.2 DHD法

DHD法是目前檢測結(jié)構(gòu)材料深度方向殘余應(yīng) 力水平的主要方法之一。國外學(xué)者們采用 DHD 法 主要用于研究鋼結(jié)構(gòu)和焊接件[6-7],國內(nèi)研究較少, 僅在上海交通大學(xué)和中南林業(yè)科技大學(xué)有過初步的 研究結(jié)果[8],并未在實際結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力檢測中得 以推廣應(yīng)用。DHD法檢測過程見圖2,簡化后的計 算公式見式(3)和式(4)。

式中:θ為測試角度;Z 為測試深度,其中0°和90°方 向可定義為x 和y 方向或1和3方向,即主應(yīng)力方 向;ε為應(yīng)變;d0 為測孔初始直徑;d 為套孔后測孔 直徑;E 為材料的彈性模量;σ(Zi)為不同深度處的 殘余應(yīng)力。

通過準(zhǔn)確測量出測孔在套孔前(見圖2步驟2) 后(見圖2步驟4)的直徑變化,可以計算出殘余應(yīng) 力的大小。作者在進行 DHD 法檢測殘余應(yīng)力時, 采 用 DIATEST 3.0 內(nèi) 徑 測 量 儀 和 電 火 花 (ElectricalDischargeMachining,EDM)切割技術(shù)。

2 氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力檢測

2.1 壓痕應(yīng)變法檢測結(jié)果

氣缸蓋材料有灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵兩種材料,共 有4種型號的氣缸蓋,分別記為1號、2號、3號、4 號氣缸蓋。1,2,3號氣缸蓋材料為灰鑄鐵,4號氣缸 蓋材料為蠕墨鑄鐵。1號和2號氣缸蓋是規(guī)格相似 的小型氣缸蓋,3號和4號氣缸蓋規(guī)格相對較大。

殘余應(yīng)力檢測位置見圖3,1號和2號氣缸蓋表 面有4個檢測點,3號和4號氣缸蓋表面有3個檢 測點。壓痕應(yīng)變法檢測結(jié)果見表2,全釋放應(yīng)變法 檢測結(jié)果見表3,表中σ1,σ2 為殘余主應(yīng)力。由表1 和表2可見,氣缸蓋表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力,壓痕 應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法的殘余應(yīng)力檢測結(jié)果一致, 從表面檢測結(jié)果來看,熱處理后氣缸蓋表面壓應(yīng)力 力未明顯減小。

2.2 DHD法檢測結(jié)果

對1號、3號和4號氣缸蓋的檢測點1,2號氣 缸蓋的檢測點3進行深度方向的殘余應(yīng)力檢測,檢 測結(jié)果見圖4。氣缸蓋深度方向的殘余應(yīng)力基本在 拉、壓狀態(tài)間變化,拉應(yīng)力峰值在40 MPa左右,熱 處理后氣缸蓋的殘余拉應(yīng)力峰值未有降低。

從 DHD法檢測結(jié)果(圖4)還可見:1號氣缸蓋 熱處理前為壓應(yīng)力狀態(tài),熱處理后殘余應(yīng)力性質(zhì)有 所改變,壓應(yīng)力峰值降低;2號氣缸蓋熱處理前后的 殘 余 應(yīng) 力 水 平 幾 乎 沒 有 變 化,保 持 在 -40~ 40MPa;3號氣缸蓋熱處理后的殘余壓應(yīng)力峰值有 所降低,拉應(yīng)力峰值基本維持在40 MPa以下;4號 氣缸蓋熱處理前后的殘余應(yīng)力分布基本無變化,說 明熱處理工藝沒有明顯降低氣缸蓋的殘余應(yīng)力水 平。對比壓痕應(yīng)變法、全釋放應(yīng)變法及 DHD 法的 檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),氣缸蓋表面殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主, 前兩種方法的檢測結(jié)果一致,全釋放應(yīng)變法測得的 數(shù)值略低,這與 DHD 法測得氣缸蓋深度方向的殘 余應(yīng)力檢測結(jié)果也是相符的。

3 結(jié)論

(1)通過壓痕應(yīng)變法和全釋放應(yīng)變法測得氣缸 蓋表面的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力,兩種方法測得的 殘余應(yīng)力水平相當(dāng)。除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋 熱處理后的表面壓應(yīng)力基本沒有下降。

(2)通過 DHD法測得氣缸蓋深度方向存在拉 應(yīng)力,熱處理后氣缸蓋深度方向的拉應(yīng)力峰值沒有 降低。

(3)3號氣缸蓋可以通過熱處理工藝消除表面 殘余應(yīng)力,其余氣缸蓋熱處理前的殘余應(yīng)力水平較 低,無需進行熱處理。

參考文獻:

[1] 孟令春.考慮鑄造殘余應(yīng)力的柴油機氣缸蓋有限元分 析[D].北京:北京理工大學(xué),2016.

[2] 王國慶,賈寶全,張智超.熱處理消除 Q235鋼焊接殘 余應(yīng)力機理的研究[J].焊接技術(shù),2011,40(10):56- 57.

[3] 張洋,龔 憲 生.發(fā) 動 機 缸 蓋 殘 余 應(yīng) 力 的 測 量 及 分 析 [J].機械科學(xué)與技術(shù),2013,32(2):274-278.

[4] 陳靜,闞盈,姜云祿,等.壓痕應(yīng)變法應(yīng)力計算常數(shù)的 數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報,2019,40(1):147-150,167.

[5] SMITH D J,BOUCHARD P J,GEORGE D. Measurementandpredictionofresidualstressesin thick-sectionsteelwelds[J].TheJournalofStrain AnalysisforEngineering Design,2000,35(4):287- 305.

[6] WIMPORYR C,MAY PS,O'DOWD N P,etal。 Measurement of residual stresses in T-plate weldments[J].TheJournalofStrain Analysisfor EngineeringDesign,2003,38(4):349-365.

[7] 廖凱,劉義鵬,常星宇,等.深孔法技術(shù)在鋁合金構(gòu)件 應(yīng)力場測試中的應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報,2015, 25(11):3107-3112.

[8] 張炯,徐濟進,吳靜遠,等.深孔法殘余應(yīng)力測量技術(shù) 研究[J].熱加工工藝,2015,44(2):109-111,114.

<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 1期 (pp:8-10)>