熱處理消除純銅車(chē)削殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析

亓新偉 白倩 陳梓梁

摘要：在大尺寸弱剛性構(gòu)件的加工過(guò)程中，車(chē)削引入的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致加工變形的一個(gè)重要因素，因此有必要對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行消除。采用熱處理方法可以有效消除車(chē)削殘余應(yīng)力，針對(duì)純銅材料通過(guò)端面車(chē)削制備車(chē)削試樣，并開(kāi)展熱處理實(shí)驗(yàn)，采用基于電子散斑干涉的鉆孔法測(cè)量了熱處理前后的車(chē)削殘余應(yīng)力，分析了不同保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力釋放的影響，同時(shí)利用奧林巴斯顯微鏡和顯微維氏硬度計(jì)表征了不同熱處理參數(shù)下亞表面微觀組織和硬度的變化，發(fā)現(xiàn)在保溫溫度400℃時(shí)車(chē)削殘余應(yīng)力明顯降低，最大殘余應(yīng)力釋放率達(dá)到75%以上，有效消除了車(chē)削殘余應(yīng)力，并且亞表面會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，加工硬化層會(huì)發(fā)生明顯軟化。關(guān)鍵詞：車(chē)削殘余應(yīng)力;熱處理;微觀組織;硬度;純銅

中圖分類(lèi)號(hào)：TG166.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0070-04

Experimental Analysis of Heat Treatment to Eliminate Turning-induced ResidualStress of Pure Copper

Qi Xinwei，Bai Qian ※，Chen Ziliang

（School of Mechanical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）

Abstract： In the machining process of the large size of weak rigidity components， the turning-induced residual stress plays an important roleon the deformation of the components. Heat treatment method can effectively eliminate the turning-induced residual stress. The heat treatmentexperiments were conducted for the end face turning pure copper， the surface residual stress was measured before and after heat treatment bybore hole method based on electronic speckle interference， the effect of different heat treatment temperatures and holding times on the residualstress relaxation were analyzed. The microstructure and hardness of subsurface under different heat treatment parameters were characterized byOlympus microscope and micro-Vickers hardness tester. It is found that when the holding temperature is 400℃， the turning-induced residualstress decreases significantly， the maximum residual stress release rate reaches more than 75%， and the turning-induced residual stress iseffectively eliminated. Moreover， recrystallization occurs on the subsurface， and the work-hardened layer is obviously softened.

Key words： turning residual stress; hear treatment; microstructure; hardness; pure copper

0 引言

弱剛性構(gòu)件的切削加工是高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率的復(fù)雜過(guò)程[1-2]，加工過(guò)程中由于材料不均勻的塑性變形在加工表面引入殘余應(yīng)力，通常情況下，加工殘余應(yīng)力的影響層多在百微米級(jí)別[3]。加工表面上存在著的殘余應(yīng)力會(huì)使零件表面產(chǎn)生疲勞裂紋，降低零件的疲勞強(qiáng)度[4]及抗腐蝕性能[5-6]，除此以外，對(duì)于弱剛性構(gòu)件，加工殘余應(yīng)力會(huì)造成構(gòu)件的變形和尺寸不穩(wěn)定性[7-8]，因此有必要消除車(chē)削表面殘余應(yīng)力。

熱處理是消除殘余應(yīng)力的有效方法[9]，熱處理方法是把工件緩慢加熱到一定溫度進(jìn)行保溫，在保溫過(guò)程中材料會(huì)發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，從而消除殘余應(yīng)力，在保溫結(jié)束后，使工件緩慢隨爐冷卻，防止工件快速冷卻在材料內(nèi)部產(chǎn)生大的溫度梯度，從而引入新的殘余應(yīng)力。 Sridhar[10]研究了熱處理對(duì)鈦合金車(chē)削殘余應(yīng)力分布的影響;Madariaga[11]研究了不同溫度下鎳基合金車(chē)削殘余應(yīng)力的釋放情況;金潔茹[12]研究了不同溫度下 GH4169車(chē)削殘余應(yīng)力的釋放規(guī)律，很少有文獻(xiàn)涉及到純銅車(chē)削殘余應(yīng)力在不同溫度和保溫時(shí)間下的釋放情況，同時(shí)在熱處理過(guò)程中工件亞表面會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶使微觀組織改變，表面硬化層[13]也會(huì)發(fā)生變化。

本文針對(duì) T2純銅材料，通過(guò)端面車(chē)削制備車(chē)削試樣，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了熱處理實(shí)驗(yàn)，基于電子散斑干涉的鉆孔法測(cè)量車(chē)削表層殘余應(yīng)力變化，分析了不同溫度和時(shí)間對(duì)加工殘余應(yīng)力釋放的影響，并且研究了不同熱處理工藝對(duì)亞表面微觀組織和硬度變化的影響。

1 試樣制備

針對(duì) T2純銅材料進(jìn)行研究，其成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)中采用 CKA6140數(shù)控車(chē)床端面車(chē)削制備車(chē)削試樣。刀具選擇硬質(zhì)合金車(chē)刀，刀具前角為14°，后角為7°，主偏角為30°，刀具圓弧半徑為0.2 mm ，鈍圓半徑為10μm。實(shí)驗(yàn)中選擇的恒線速度車(chē)削加工，切削速度為160 m/ min ，進(jìn)給量為0.12 mm/r ，切削深度為0.2 mm。

首先采用線切割機(jī)床從純銅坯料上切割小90×10 mm 的工件。在端面車(chē)削過(guò)程中，直接用三爪卡盤(pán)夾緊工件會(huì)引入較大的裝夾力，本文車(chē)削實(shí)驗(yàn)中采用蠟粘的方法代替三爪卡盤(pán)裝夾工件，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在夾具右端采用熔點(diǎn)為45℃的粘結(jié)蠟粘結(jié)工件，再通過(guò)三爪卡盤(pán)卡緊夾具，避免了大的裝夾力對(duì)車(chē)削表面殘余應(yīng)力的影響，車(chē)削完成后，取下夾具與工件，將其加熱到60℃，使粘結(jié)蠟熔化，取下工件。

2 熱處理實(shí)驗(yàn)和殘余應(yīng)力測(cè)量

基于端面車(chē)削試樣開(kāi)展了熱處理實(shí)驗(yàn)，熱處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，熱處理爐選用上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SG-XQL1200型真空箱式氣氛爐，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)升溫、降溫和保溫過(guò)程，控溫精度可達(dá)±1°，實(shí)驗(yàn)中升溫速率控制在10℃/min ，降溫過(guò)程采用隨爐冷卻的方式。

為了測(cè)量熱處理前后車(chē)削殘余應(yīng)力，采用鉆孔法結(jié)合電子散斑干涉的方法測(cè)量殘余應(yīng)力，鉆孔法測(cè)量殘余應(yīng)力是破壞性較小的有損測(cè)量方法，通過(guò)在工件表面鉆孔去除材料，使鉆孔處殘余應(yīng)力釋放，傳統(tǒng)上在鉆孔表面貼應(yīng)變片記錄應(yīng)變，從而計(jì)算出殘余應(yīng)力值，本文通過(guò)電子散斑干涉的方法測(cè)量鉆孔后表面位移變化[14]，無(wú)需粘貼應(yīng)變片，操作簡(jiǎn)單，并且可以獲得鉆孔表面全局位移變化，測(cè)量精度更高，電子散斑干涉原理如圖2所示。

激光器發(fā)出的激光通過(guò)分光鏡分成兩束相干光，分別稱(chēng)作照明激光和參考激光，照明激光照射到工件上發(fā)生漫反射，反射光束經(jīng)過(guò)可變焦鏡頭后與參考激光發(fā)生干涉，CCD相機(jī)記錄散斑干涉強(qiáng)度：

I （x， y ）= AI2+A +2AI2 Acos[φ] （1）

式中：I 為干涉強(qiáng)度;（x ，y ）為測(cè)試樣品的坐標(biāo)位置; AI 、AR 為照明激光和參考激光振幅;φ為干涉相位角。

在鉆孔后表面位移變化造成照明激光的光程改變，從而造成干涉強(qiáng)度發(fā)生變化：

I′= AI2+ A +2AI2 Acos[φ+ΔP ]（2）

式中：ΔP 為照明激光光程改變所帶來(lái)的相位差，根據(jù)鉆孔前后表面散斑干涉強(qiáng)度變化計(jì)算出ΔP ，再根據(jù)下式計(jì)算表面位移矢量：

ΔP=? （3）

式中：為照明光束方向 K1和反射光束方向 K2 的角平分線方向;λ為激光波長(zhǎng)。

根據(jù)矢量和光程改變導(dǎo)致的相位差ΔP 可以求得表面位移矢量，從而求解出應(yīng)力釋放前的表面殘余應(yīng)力。

通過(guò)鉆孔法結(jié)合激光散斑干涉的方法測(cè)量了車(chē)削殘余應(yīng)力，測(cè)量車(chē)削殘余應(yīng)力的總深度為0.1 mm ，采用增量式鉆孔記錄沿深度方向上殘余應(yīng)力的變化，每次測(cè)量鉆孔深度依次為10μm 、 20μm 、 30μm 、 40μm 、50μm 、 65μm 、 80μm 和100μm ，鉆孔使用硬質(zhì)合金銑刀為米斯米公司 TSC-PEM2R0.8型號(hào)刀具，銑刀直徑為0.8 mm ，轉(zhuǎn)速為30000 r/min ，進(jìn)給速率為0.05 r/s。每個(gè)工件進(jìn)行3次測(cè)量并取其平均值，3次鉆孔位置沿相同半徑分布，且相鄰鉆孔之間的距離大于5mm ，避免測(cè)量結(jié)果受到上一次鉆孔應(yīng)力釋放的影響。

圖3～4所示為了不同熱處理參數(shù)下，車(chē)削殘余應(yīng)力沿深度方向上的變化。從圖中可以看出車(chē)削表層以殘余拉應(yīng)力為主，并且切削方向的殘余應(yīng)力比進(jìn)給方向的大，最大殘余應(yīng)力約為200 MPa 。通過(guò)對(duì)比300℃和400℃下保溫120 min的殘余應(yīng)力在深度方向的變化，可以看出隨著溫度升高，車(chē)削表層殘余應(yīng)力降低，在 400℃熱處理溫度下，車(chē)削表層殘余應(yīng)力控制在±50 MPa 以內(nèi)，最大殘余應(yīng)力釋放量達(dá)到75%以上。對(duì)比溫度400℃下保溫120 min 和保溫480 min 的殘余應(yīng)力變化，可以看出隨保溫時(shí)間的增加，殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯變化。相對(duì)于保溫時(shí)間，熱處理溫度對(duì)純銅車(chē)削表面殘余應(yīng)力的釋放影響更大。

3 微觀組織和顯微硬度變化

為了進(jìn)一步研究熱處理對(duì)純銅亞表面的影響，觀測(cè)了不同熱處理參數(shù)下的亞表面晶粒尺寸變化，測(cè)量了在深度方向上的硬度梯度。

首先對(duì)不同熱處理下的亞表面微觀組織進(jìn)行觀測(cè)，用線切割機(jī)床在不同熱處理試樣上切割6 mm×6 mm 的小塊，采用斜拋法觀測(cè)亞表面晶粒尺寸變化，斜拋裝置如圖5所示，將工件放置在角度為6°的基座上，并進(jìn)行冷鑲樣處理，通過(guò)此斜拋方法可以將觀測(cè)深度擴(kuò)展為實(shí)際深度的10倍。

實(shí)驗(yàn)中磨拋工件采用萊州蔚儀公司生產(chǎn)的 MoPao3型自動(dòng)磨拋機(jī)，金相試樣制備過(guò)程包括粗磨、精磨、拋光、腐蝕等，具體操作過(guò)程如下。

（1） 粗磨。采用1000#砂紙進(jìn)行粗磨，此時(shí)材料去除量大，為避免磨削載荷過(guò)大引入磨削變質(zhì)層，磨拋時(shí)選擇載荷為10 N ，磨拋盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)置為300 r/min ，當(dāng)工件磨拋表面平整且劃痕均勻時(shí)開(kāi)始精磨。

（2） 精磨。采用2000#砂紙進(jìn)行精磨，此時(shí)材料去除量小，將載荷設(shè)置為15 N ，轉(zhuǎn)速設(shè)置保持不變，當(dāng)去除掉粗磨的劃痕時(shí)開(kāi)始粗拋。

（3） 粗拋。粗拋時(shí)轉(zhuǎn)速和載荷不變，選用粗呢絨布，并選取粒度為1.5μm的金剛石拋光噴霧劑，拋光時(shí)間在1～3 min內(nèi)，粗拋后的具有均勻一致的細(xì)劃痕。

（4） 精拋。精拋時(shí)采用細(xì)絨布，其他條件不變，拋光時(shí)間控制在1～3 min內(nèi)，精拋后工件表面呈現(xiàn)光亮鏡面。

（5）磨拋工件后用腐蝕劑腐蝕晶界，腐蝕時(shí)間40 s，腐蝕劑配比如下：70 mL水、5 g 硝酸鐵、25 mL 鹽酸，腐蝕完成后用奧林巴斯顯微鏡觀察。

圖6所示為不同熱處理下亞表面微觀組織變化，可以看出車(chē)削后未熱處理的工件亞表面產(chǎn)生了大量位錯(cuò)堆積， 300℃下保溫120 min 處理后亞表面出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，但仍有位錯(cuò)堆積，400℃下保溫120 min處理后亞表面已明顯完成再結(jié)晶，400℃下保溫480 min處理后亞表面晶粒有長(zhǎng)大現(xiàn)象，但與保溫120 min比較，晶粒變化并不明顯。

為了探究不同熱處理參數(shù)下亞表面硬度梯度變化，采用維氏硬度測(cè)量了表層硬度，試驗(yàn)載荷為0.1 kg ，保荷時(shí)間為10 s ，為了減小測(cè)量誤差，試驗(yàn)中測(cè)量3次并取其平均值。

圖7所示為不同熱處理參數(shù)下硬度沿深度的變化，車(chē)削后未熱處理的工件表層有明顯的硬化梯度，300℃下保溫120 min后淺表層硬度降低，400℃保溫120 min后表層硬度明顯降低，且隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)至480 min時(shí)，硬度進(jìn)一步降低，但相比較保溫時(shí)間，溫度對(duì)亞表面硬度影響更大。

通過(guò)觀測(cè)不同熱處理下亞表面微觀組織和硬度變化，可以看出亞表面微觀組織對(duì)硬度的影響，在300℃時(shí)，淺表層出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，表層硬度降低，400℃保溫120 min時(shí)表層明顯發(fā)生再結(jié)晶，硬度明顯降低;且淺表層硬度降低更大，且隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)至480 min，晶粒尺寸進(jìn)一步長(zhǎng)大，硬度也進(jìn)一步降低，但變化并不明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)開(kāi)展熱處理實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了不同熱處理參數(shù)下純銅車(chē)削加工殘余應(yīng)力的變化，分析了不同保溫溫度和保溫時(shí)間對(duì)車(chē)削殘余應(yīng)力釋放的影響。在一定保溫時(shí)間下，隨溫度升高，殘余應(yīng)力明顯降低，在400℃下保溫120 min時(shí)車(chē)削表層殘余應(yīng)力降低至±50 MPa 內(nèi)，最大殘余應(yīng)力釋放率達(dá)到75%以上，可以有效消除純銅車(chē)削殘余應(yīng)力，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，殘余應(yīng)力沒(méi)有明顯降低，相比之下，溫度對(duì)殘余應(yīng)力釋放的影響更大。

通過(guò)奧林巴斯顯微鏡和維氏硬度計(jì)表征了不同熱處理參數(shù)下純銅亞表面微觀組織和硬度梯度變化，車(chē)削表面的加工硬化層在熱處理中發(fā)生軟化，保溫溫度在400℃下的再結(jié)晶比300℃時(shí)更明顯，硬度下降也更明顯，且隨保溫時(shí)間增長(zhǎng)，表層晶粒尺寸和硬度沒(méi)有明顯變化。從實(shí)驗(yàn)中可以看出熱處理消除車(chē)削殘余應(yīng)力的同時(shí)，也影響了亞表面微觀組織和硬度的變化。

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第一作者簡(jiǎn)介：亓新偉（1996-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楦叨搜b備制造技術(shù)。

※通信作者簡(jiǎn)介：白倩（1982-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)樵鰷p材復(fù)合制造。

（編輯：刁少華）