振動時效去應力的機理

更新時間：2020/10/24  點擊數：1015

在對材料進行機械或熱加工的過程中，由于不同部位受力或受熱程度不同，不均勻的塑性變形(包括由溫度等引起的不均勻體積變化)致使材料內部在產生應力的各種因素不存在時(如外力去除，溫度已均勻等)，依然存在并且自身保持平衡的彈性應力，即殘余應力。殘余應力在材料學研究和工程實踐中是一個廣泛而重要的問題，其對材料的影響可分為兩方面：殘余應力的存在對材料的疲勞強度及尺寸穩定性等均造成不利影響，同時，出于改善材料性能的目的，在材料表面還要人為地引入壓應力。在材料構件加工制造的過程中，不可避免地在部件內部產生殘余應力，因此將其去除或加以松弛，并進一步通過再分布加以調整是很有必要的。

為降低和調整殘余應力，通常應采用時效技術。按照方式的不同，可分為自然時效(Natural Stress Relief，NSR)、熱時效(Thermal Stress Relief，TSR)以及振動時效(Vibration Stress Relief，VSR)[3]技術。其中NSR是把構件在自然條件下放置較長一段時間，以使殘余應力逐漸松弛。自然時效法對構件的尺寸穩定性較好，方法簡單易行，但生產周期長、效率低，不能適應現代加工技術的需要。TSR是通過對構件進行一定溫度的熱處理以降低材料的屈服極限，從而在高溫下較快地完成塑性變形來釋放殘余應力[4-5]。目前TSR方法已在工業上獲得廣泛應用，在合理的工藝下，能夠獲得很好的時效效果。但是該技術也存在一定的局限性，熱處理設備費用較高，特別是對于大型、結構復雜的構件，需要建立大空間的熱處理裝置，對能源消耗大，且熱處理過程對環境有一定污染。另外，構件可能出現熱處理變形的問題，同時也可能引入新的殘余應力[6-10]，降低了熱時效處理效果。 將構件在交變外力作用下進行一定時間的共振，以降低其殘余應力的一種時效方法[11-12]，即振動時效技術。與傳統熱時效技術相比，其操作時間短，僅需幾十分鐘，而熱時效至少需要一天；設備簡單易于搬動，實施環境條件靈活；成本低，可節省費用90%以上，特別是不需建造大型窯爐；殘余應力降低效果好；節能環保，可節省能源90%以上。目前振動時效技術已部分取代熱時效，其應用領域已覆蓋金屬構件制造、焊接、鑄造等[13-16]，成為許多國家制造機械構件時必須使用的工藝。近年來，隨著技術不斷進步，振動時效機理和技術手段不斷進步，已研究開發了多種基于不同原理和特殊應用的振動時效工藝，有力地推動了振動時效技術的發展、應用與推廣。

 振動時效技術

 振動時效技術機理

振動時效是用激振設備在構件殘余應力集中處施加等幅交變循環激振力，構件在共振狀態下獲得較大的激振動應力，在某個方向上的合應力超過材料的屈服極限，該處會產生屈服變形，引起殘余應力松弛并釋放出來，使殘余應力均勻分布[17]。這種方法不僅能有效地降低峰值殘余應力，而且能使整體殘余應力值下降。

圖 1 為金屬材料受等幅交變應變 eB -eC 作用時 的應力應變曲線，圖中 OA 為彈性載荷段，構件的 初始殘余應力為 s A ，ACB  是第一次發生屈服變形 后的應力應變曲線。構件內的總應力超過屈服點而 發生變形，在 C 處殘余應力沿彈性卸載荷線 CB' 下 降，經過 D 點后曲線偏離 CB' 至 B 點，完成一次交變應變循環。經過多次交變循環后，曲線循環穩定 為 C'E'B"EC' ，此時殘余應力由s A 減小至s E ，殘余 應力減小至穩定的過程就是振動時效宏觀機理的直觀表示。

要消除或減小工件中的殘余應力，必須滿足以下條件：

要消除或減小工件中的殘余應力，必須滿足以下條件：

(1)  構件內部殘余應力與激振器施加的激振動 應力疊加后的總應力應超過材料屈服極限。即s殘 +s動 >ss ，其中：s殘 為構件內部殘余應力，s動為激振動應力，ss 為材料的屈服極限。

(2)  隨著振動時效時間的增長，構件內部的殘余應力會由于發生塑性屈服而下降。當殘余應力降 低到與振動應力疊加后等于新的屈服極限時，構件 內的將達到平衡，使構件尺寸穩定性得到提高。

(3)  殘余應力隨時效振動的進行而降低，并最 終達到平衡，如果要繼續降低s殘 ，就必須增大s動 ，否則在構件達到平衡后的振動是無效的。

從微觀角度來看，殘余應力降低的本質是通過 某種微觀或局部的塑性變形使構件中的彈性應變能逐漸釋放的過程。構件晶體內有大量位錯存在， 在循環應變下，位錯克服阻力產生滑移，使晶體產 生微觀塑性變形，殘余應力的峰值降低，使構件原 來的內應力場發生改變，內應力降低并重新分布, 進而達到平衡。在振動交變應力的連續激勵下，會 不斷被激發出位錯。隨著不斷對構件施加循環應 力，位錯將會變得更加均勻，位錯的移動，即晶體屈服的開始，此時材料開始發生塑性變形。上述過程將會使應力集中區的應力減小，殘余應力的峰值降低。