佛山震动消除铸件应力 振动时效的原理

对于振动过程的机理,国内外已经进行了大量的研究工作,取得以下的共识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力(动应力R动)。在振动过程中,施加到金属构件各部分的动应力R动与内部余应力R叠加,当叠加幅值大于金属构件的屈服极限Rs,即R动+RRs时,这些点晶格滑移,产生微小的塑性变形,达到释放余应力的目的。从微观上看,频谱谐波振动时效就是给金属构件提供机械能,使约束金属原子复位的余应力释放,加快金属原子回复平衡位置的速度。从金属物理学上看,频谱谐波振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错,所以在构件内部产生的交变动应力与内部的余应力相互叠加,在应力较高的区域,就可产生位错滑移,出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的,当微应变累积到一个宏观量,金属组织内余应力较大处的位错塞积得以交替开通,局部较大余应力得以释放,构件宏观内应力随之松弛,使余应力的峰值下降,改变了构件原有的应力场,终使构件的余应力降低并重新分布,使较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻,从而强化了基体,提高了构件抗变形能力,使构件的尺寸精度趋于稳定。
残余应力对金属构件的影响
残余应力的存在对金属工件的强度疲劳寿命结构变形等方面的影响都是很大的，因此在结构设计中必须予以考虑。
§2.31残余应力对疲劳寿命的影响
人们很早就已经知道：当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度会有所提高，而存在拉伸残余应力时，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，人们首先考虑的是如何来改变这种应力分布以提高疲劳寿命，这就是调整残余应力问题，这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的，后者考虑的是如何降低或消除残余应力以保证变形的稳定性。
实际上，残余应力对疲劳的影响因条件和环境的不同而改变。他与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响是既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。
可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变盈利水平，较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂纹。这些影响比起对静强度的影响来说，在实用上将更为重要。

残余应力对构件变形的影响
残余应力是一个不稳定的应力状态。当构件受到外力作用时，作用应力与残余应力相互作用，使某些局部呈现塑性变形，截面内应力重新分析，当外力作用去除时整个构件将要发生变形。所以残余应力明显的影响着加工后的构件的精度。这也是机械和工程部门关心的问题之一。
实践已，具有表面拉伸残余应力的构件其尺寸稳定性远远不如具有表面压缩残余应力的构件尺寸稳定性好。
残余应力对构件变形的影响包括两个方面，一方面是构件抗静、动荷载的变形能力，另一方面是荷载卸除后变形的恢复能力。残余应力在这两个方面对构建的影响是很大的，因此人们一直在研究消除这些影响的有效方法。
§2.33残余应力对金属脆性破坏的影响
脆性破坏是构建在几乎不存在塑性变形情况下的突然开裂。它在温度突然下降或变形速度突然上升的情况下易发生。这是塑性变形处于压抑状态，如在突然受到较大的作用应力等原因，就易于发生存型断裂破坏。残余应力是作为初始应力存在于构件内，特别是拉伸残余应力与作用拉应力叠加而加速了脆性破坏。
有关文献中做了残余应力对脆性破坏的影响实验，吧76×91cm、厚2cm的软钢板对焊起来。在焊缝处沿结合方向的残余应力是接近焊接金属屈服极限的拉应力。
将焊好的试件的一部分作退货处理以消除焊接应力，再与未经退火处理的试件一起放在-13℃下冷却，发现经退火处理的时间未出现裂纹，而没退火的试件即使在无外力作用下也出现了脆性裂纹。分析其原因是在温度的快速下降时，材料塑性下降所引起的脆性破坏。
有关文献中也给出类似的实验，并得出结论：残余应力与开裂有直接关系，且产生的裂纹全都是存在于拉伸残余应力范围内。可见残余应力不仅直接影响到裂纹的扩展，而且降低了材料脆性破坏的作用应力的临界应力极限，加速了脆性破坏。
残余应力产生的脆性破坏在焊接件中是极易发生的。某重型汽车厂生产的车价由于焊接裂纹而大批报废。某造船厂铸造的十几吨重的大型链轮箱，因开箱温度过高而室温较低，壳体交角处从上至下出现断裂裂纹，裂纹速度发展很快。这些都说明在无外力作用下而产生的脆性破坏完全是由残余应力拉应力造成的结果。近些年来，国内外都在大量研究残余应力对裂纹的发生和扩展的影响。对标准试件施加定量的残余应力是比较困难的，因此该项研究受到较大的限制而进展不快。

热时效
     热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550℃左右，保温4—8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。
热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长会引起石墨化使构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。       
降温速度对消除残余应力的影响 
  降低温度速度   ℃/小时  残余应力消除的百分数（%）
   130 6—27
   50 40—50
    30 60—85
注：炉内温度差不大于25℃
热时效存在的问题：  建窑占地面积大，费用高（每立方米1—1.2万元）。   热时效能耗高，生产成本高。 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。
热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果
序号 工件在炉内的位置 残余应力的大小（kgf /mm²） 残余应力消除的百分比（%）
  时效前     时效后 
  σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 平  均
1 炉后端 10.4 7.9 6.6 6.2 36.7 21.4 29.1
2 炉中部 10.4 7.9 5.1 1.6 51.2 79.6 65.4
3 炉门处 10.4 7.9 9.1 8.1 12.6 -2.4 5.1
可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。
4)热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。

振动时效工艺的发展及应用
用振动的方法消除金属构件的残余应力技术，于1900年在美国就取得了专利。但由于人们长期使用热时效，加上当时对振动消除应力的机理还不十分明确，且高速电机尚未出现造成设备沉重、调节不便，因此该项技术一直未得到发展和应用。
直到60年代由于能源，美国、英国、日本、联邦德国等国才又开始研究振动时效的机理和应用工艺。特别是到70年代由于可调高速电机的出现，推动了振动消除应力装置（VSR系统）的发展：1973年英国制成手提式VSR系统即VCM80，后来美国马丁工程公司也研制出比较的设备LT-100R型VSR系统。法国和苏联也分别生产出PSV型和NB型VSR系统。这些比较的激振装置，促进了振动消除应力工艺的发展和应用。
国内开展这项工作比较晚，首先由孙照清总等老一辈的工程技术74年出国考察访问时，把这项技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究一直，并于“六五”期间在机械部提出的攻关课题之一----------提高机床铸件产品质量的大课题里面确定了“振动时效可行性研究”这一子课题，并由北京击穿研究所和机床厂来完成这一课题，我们在七九年自行研制成功交流串激式振动时效简易设备的基础上不断地试验研究，经过几年的努力与其他兄弟院所工厂一期取得了一定的成果，振动时效工艺的可行性，机床所大连理工大学、抚顺石油机械学院等对机理也进行了较深入的研究。由于受当时简易设备的限制，一些工艺参数很难测得也限制了这项技术的研究和应用，于是八五年机械部特批贰万伍千美金，我们与美国马丁公司合作引进了一整套当时世界上的VSR-790型振动时效设备及相关技术。为进一步推动振动时效工艺研究和设备的开发奠定了基础。后来随着使用振动时效设备的厂家不断增多和不少院校对这项技术深入的研究。特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术要求》标准的诞生，使得这项技术得以较快的推广和发展，到目前为止，我国已有几千台振动时效设备投入使用，涉及领域包括机床、冶金、航空、航天、、轻工、电力、纺织、风机、建筑、造纸等机械制造行业。
超声波时效法是国外较流行的焊后处理、表面局部强化和消除余应力的方法。该方法首先在前苏联的乌克兰延生，于二十世纪六十年代在美国得到迅速发展，在第十三届国际焊接学会上被公认为是提高焊接结构疲劳性能方法，并在发达国家迅速得以推广应用，经过半个多世纪的发展，超声波时效处理的工艺及设备已日趋完善，该方法的执行机构轻巧，使用灵活方便、噪音小、效率高、成本低、节能、无污染。

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