摘 要:采用壓痕應變法、全釋放應變法和深孔(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力,分析了熱處理消除氣缸蓋殘余應力的效果。結(jié)果表明:通過壓痕 應變法和全釋放應變法測得熱處理前后氣缸蓋表面的殘余應力基本為壓應力,兩種方法測得的殘余 應力水平相當,除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋熱處理后的表面壓應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力,熱處理工藝沒有降低氣缸蓋深度方向的拉應力峰值;3號氣缸蓋可 以采用熱處理工藝消除表面殘余應力,其余氣缸蓋熱處理前殘余應力的水平較低,無需進行熱處理。
關(guān)鍵詞:氣缸蓋;鑄鐵;殘余應力;熱處理工藝;壓痕應變法;全釋放應變法
中圖分類號:TG156.23 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)01-0008-03
應力是造成發(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 余應力,這使得氣缸蓋的應力狀態(tài)更為復雜[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 殘余應力。一般通過熱處理消除工件的鑄造殘余應 力,不同熱處理工藝消除殘余應力的效果略有不同, 這是由熱處理消除殘余應力的機理決定的[2]。所以,準確測定氣缸蓋在熱處理前后的殘余應力,是制 定熱處理工藝的首要前提。目前,國內(nèi)氣缸蓋殘余 應力檢測方法主要有盲孔法[3]和全釋放應變法。兩 種方法一般都適合表面殘余應力的檢測,但對于發(fā) 動機氣缸蓋,僅通過表面殘余應力來評價熱處理前 后的殘余應力狀態(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, 采用壓痕應變法、全釋放應變法和深孔(Deep-Hole Drill,DHD)法檢測其在熱處理前后的殘余應力,來 評價熱處理消除殘余應力的效果。壓痕應變法用于 測量氣缸蓋的表面殘余應力,并通過全釋放應變法 對各檢測點的殘余應力進行驗證,然后采用 DHD 法對氣缸蓋深度方向的殘余應力進行檢測,以獲得 較全面的殘余應力檢測結(jié)果。
1 檢測原理
1.1 壓痕應變法和全釋放應變法
壓痕應變法是通過壓痕外彈性區(qū)的應變增量求 解原始殘余應力的方法,采用應變片作為測量用敏感 元件,在應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)應變增量的變化,再計算 得出殘余應力。壓痕應變法檢測結(jié)果的準確性高、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力檢測方法[4]。壓痕應 變法多用于檢測鋼結(jié)構(gòu)件的殘余應力,在鋁合金、鈦 合金等結(jié)構(gòu)件中的應用也逐漸增多。壓痕應變法的 檢測范圍不受材料限制,對于不同的材料,需要獲得 與每種材料力學特性相關(guān)的殘余應力計算函數(shù),這決 定了檢測結(jié)果的準確度。根據(jù) GB/T24179—2009 《金屬材料 殘余應力測定 壓痕應變法》,作者采用試 驗標定和模擬標定結(jié)合的方式,獲得了灰鑄鐵和蠕墨 鑄鐵的應力計算函數(shù),見式(1)和式(2)。
式中:Y 為彈性應變;X 為應變增量,即壓痕前后的 應變變化量。
根據(jù) GB/T31218—2014《金屬材料 殘余應力 測定 全釋放應變法》,通過測得 X,就可以計算得到 Y,再依據(jù)胡克定律,便可獲得殘余應力。采用全釋 放應變法可以對壓痕應變法的結(jié)果進行驗證,全釋 放應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力[5]。作者采用的壓痕 應變法檢測設備是中國科學院金屬研究所自主研發(fā) 的 KJS系應力檢測系統(tǒng),見圖 1,該系統(tǒng)包括 KJS 系應力檢測儀和 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 力水平的主要方法之一。國外學者們采用 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, 僅在上海交通大學和中南林業(yè)科技大學有過初步的 研究結(jié)果[8],并未在實際結(jié)構(gòu)的殘余應力檢測中得 以推廣應用。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,即主應力方 向;ε為應變;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 殘余應力。
通過準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 力的大小。作者在進行 DHD 法檢測殘余應力時, 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力檢測
2.1 壓痕應變法檢測結(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。壓痕應變法檢測結(jié)果見表2,全釋放應變法 檢測結(jié)果見表3,表中σ1,σ2 為殘余主應力。由表1 和表2可見,氣缸蓋表面殘余應力均為壓應力,壓痕 應變法和全釋放應變法的殘余應力檢測結(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力檢測,檢 測結(jié)果見圖4。氣缸蓋深度方向的殘余應力基本在 拉、壓狀態(tài)間變化,拉應力峰值在40 MPa左右,熱 處理后氣缸蓋的殘余拉應力峰值未有降低。
從 DHD法檢測結(jié)果(圖4)還可見:1號氣缸蓋 熱處理前為壓應力狀態(tài),熱處理后殘余應力性質(zhì)有 所改變,壓應力峰值降低;2號氣缸蓋熱處理前后的 殘 余 應 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力峰值有 所降低,拉應力峰值基本維持在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力水 平。對比壓痕應變法、全釋放應變法及 DHD 法的 檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),氣缸蓋表面殘余應力以壓應力為主, 前兩種方法的檢測結(jié)果一致,全釋放應變法測得的 數(shù)值略低,這與 DHD 法測得氣缸蓋深度方向的殘 余應力檢測結(jié)果也是相符的。
3 結(jié)論
(1)通過壓痕應變法和全釋放應變法測得氣缸 蓋表面的殘余應力基本為壓應力,兩種方法測得的 殘余應力水平相當。除3號氣缸蓋外,其余氣缸蓋 熱處理后的表面壓應力基本沒有下降。
(2)通過 DHD法測得氣缸蓋深度方向存在拉 應力,熱處理后氣缸蓋深度方向的拉應力峰值沒有 降低。
(3)3號氣缸蓋可以通過熱處理工藝消除表面 殘余應力,其余氣缸蓋熱處理前的殘余應力水平較 低,無需進行熱處理。
參考文獻:
[1] 孟令春.考慮鑄造殘余應力的柴油機氣缸蓋有限元分 析[D].北京:北京理工大學,2016.
[2] 王國慶,賈寶全,張智超.熱處理消除 Q235鋼焊接殘 余應力機理的研究[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 力 的 測 量 及 分 析 [J].機械科學與技術(shù),2013,32(2):274-278.
[4] 陳靜,闞盈,姜云祿,等.壓痕應變法應力計算常數(shù)的 數(shù)值模擬[J].焊接學報,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 應力場測試中的應用[J].中國有色金屬學報,2015, 25(11):3107-3112.
[8] 張炯,徐濟進,吳靜遠,等.深孔法殘余應力測量技術(shù) 研究[J].熱加工工藝,2015,44(2):109-111,114.
