残余应力主要影响两个方面:一是影响疲劳等材料强度,二是对加工或加工后产生形变影响尺寸。疲劳强度受残余应力影响比重较高。
一般情况下,残余应力存在压应力及拉伸应力两种,对于交变应力的工件,残余应力以压应力为主时,可提高工件的疲劳强度;当残余应力以拉应力存在时,降低材料的疲劳强度。
动车组牵引电机非传动端盖主要作用为电机轴端承载及电机防护,属于相对静止件,在列车运行过程中要承受动车组高时速下形成的空气流、砂石、尘土和雨水的侵蚀,在使用过程中需要产品具备有一定的强韧性及耐腐蚀性能。
端盖材料采用C5M4铸造铝镁合金,主要残余应力来源于淬火、加工等工序。
1.1 铸造应力
对于铸锭态的铝镁合金,在铸造过程中,极易存在多种微缺陷,如疏松、夹杂、微裂纹等,铸造过程的也会使工件残余应力,铸造的残余应力极易出现在各种微缺陷上产生应力集中。铸造应力包括热应力、相变应力及收缩应力三种。
热应力主要较多存在于工件几何形状相交位置断面厚薄不均,热应力的产生来源于冷却不均,薄壁处容易形成压应力,成型后铸件中出现残余应力。
相变应力是由于铸铝合金在凝固后冷却过程中产生相变,相变应力与体积尺寸有关。当工件壁厚不均时,不同部位在不同时间内发生相变所致。
收缩应力是在铸造过程中受冷却的影响,导致收缩时受到铸型、型芯的阻碍而产生的拉应力。收缩应力的存在比较短暂,一般工件成型进行后续处理后就会释放。但若开箱不当,容易导致出现收缩应力引起的热裂纹。
这些铸造残余应力会引起C5M4铝镁合金端盖开裂,影响其加工精度。
1.2淬火残余应力
C5M4铝镁合金端盖在进行淬火热处理后,各部分产生不均匀的形状和体积的变化,内部产生残余应力。淬火时工件的冷却速度越快,工件表面和芯部的冷却速率不一致(表层冷却速度快,芯部冷却速度慢,存在温度梯度),导致工件内部产生内应力,工件变形的可能性也越大,严重时甚至可能会使铸件产生裂纹。这种由于热处理而产生的残余应力,影响了铝镁合金铸件在后续使用状态中的机械性能。
1.3机加工引起的残余应力
当施加外力进行切削加工时,物体加工表面在切削力的作用下产生强烈的塑性变形,表面金属的比容增大,体积膨胀,但是受到与它相连的里层金属的阻止,从而在表层产生残余压应力,在里层产生了残余拉应力。当刀具在被加工表面切削金属时,由于受后刀面的挤压和金属摩擦作用,表面金属纤维被严重拉长,受到里层金属的阻止,而在金属表面产生残余压应力,在里层产生残余拉应力。卸载后,塑性变形部分,限制了与其相邻部分变形的恢复,因而出现了残余应力。
对于残余应力,一般会采用一定的方法来消除或减小。消除或减小残余应力的方法称为时效处理,一般有自然时效、热时效、振动时效三种,三种方法都可以消除前工序产生的残余应力。
自然时效是指将工件长时间置于自然条件下使得残余应力释放。自然时效存在周期长、效率低的缺点,难以适应现代生产需要。
热时效是指在合适的温度下,对工件进行退火或回火处理,实现消除或减少残余应力的目的。通过正交试验和极差分析法确定各参数对残余应力影响的敏感程度,时效温度影响最大,其次为强化过程的固溶温度、固溶时间。最后是时效时间。
振动时效是指工件在激振器周期性的外力作用下产生振动,使工件内部发生微观变形从而均化、消除工件残余应力。
振动处理投资少,见效快,节约能源,操作方便,利于现场施工,大幅度地缩减生产周期,具有使焊接件应力均匀分布、保持焊接件尺寸稳定、延缓变形时间等特点。
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