振動時效技術的原理及應用

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1、第四章振動時效技術的原理及應用最近十多年來，國內外使用振動處理的方法消除金屬構件內的殘余應力，以防止構件變形和開裂，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱時效和自然時效。這種技術在國外稱做”VSR”技術,它是”VibratoryStressRelief”的縮寫，由于這種方法可以降低和均化構件內的殘余應力，因此可以提高構件的使用強度，可以減小變形而穩(wěn)定構件的精度，可以防止或減少由于熱時效和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋的發(fā)生。特別是在節(jié)省能源、縮短生產(chǎn)周期上具有明顯的效果，因此被許多國家大量使用。我們在該項技術的機理研究和應用上取得了較大

2、的進展。一、振動時效工藝的簡單程序振動處理技術又稱做振動消除應力法，在我國稱做振動時效。它是將一個具有偏心重塊的電機系統(tǒng)稱做激振器安放在構件上，并將構件用橡膠墊等彈性物體做支撐，如圖所示。通過控制器啟動電機并調節(jié)其轉速，使構件處于共振狀態(tài)，約經(jīng)20—30分鐘的振動處理即可達到調整殘余應力的目的。圖中的振動測試系統(tǒng)是用來監(jiān)測動應力幅值及其變化的。實際生產(chǎn)上使用中不需要做動應力監(jiān)測，振動時效設備本身具有模擬振幅監(jiān)測系統(tǒng)?？梢?，用振動調整殘余應力的技術是十分簡單和可行的。二、振動時效工藝特點振動時效之所以

3、能夠取代熱時效，是由于該技術具有明顯的優(yōu)點。1、機械性能顯著提高經(jīng)過振動時效處理的構件其殘余應力可以被消除20%—80%左右，高拉應力區(qū)消除的比例比低應力區(qū)大。因此可以提高使用強度和疲勞壽命，降低應力腐蝕?？梢苑乐购蜏p少由于熱處理、焊接等工藝過程造成的微觀裂紋的發(fā)生。可以提高構件抗變形的能力，穩(wěn)定構件的精度，提高機械質量。2、適用性強由于設備簡單易于搬動，因此可以在任何場地上進行現(xiàn)場處理。它不受構件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾十噸的構件都可以使用振動時效技術。特別是對于一些大型構件無法使用熱時效

4、時，振動時效就具有更加突出的優(yōu)越性。3、節(jié)省時間、能源和費用振動時效只需30分鐘即可進行下道工序。而熱時效至少需要一至兩天以上，且需要大量的煤油、電等能源。因此，相對與熱時效來說，振動時效可節(jié)省能源90%以上，可節(jié)省費用95%以上，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。三、振動時效工藝的發(fā)展及應用8用振動的方法消除金屬構件的殘余應力技術，于1900年在美國就取得了專利。但由于人們長期使用熱時效，加上當時對振動時效消除殘余應力的機理還不十分明確，且高速電機尚未出現(xiàn)造成設備沉重、調節(jié)不便，因此該技術一

5、直未得到實際應用。§4—1振動時效的原理國內外大量的應用實例證明，振動時效對消除和均化殘余應力，穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。同時對振動時效的機理也做了大量的研究和探討。從宏觀角度分析，振動時效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無意識導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應力松弛和零件變形中可知，殘余應力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應力松弛和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和降低殘余應力，特別是危險的峰值應力。振動時效同樣可以降低殘余應力。零件在

6、振動處理后殘余應力通常可降低30~55﹪，同時也使峰值應力降低，使應力分布均勻化。除殘余應力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一種重要因素是松弛剛性，或零件的抗變形能力。四芯電纜主機顯示器打印輸出有時雖然零件具有較大的殘余應力，但因其抗變形能力強，而不致造成大的變形。在這一方面，振動時效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動時效的加載實驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩(wěn)定。從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的

7、形式施加于零件上的一種附加動應力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加。當應力疊加的結果達到一定的數(shù)值時，在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬機體。而后，振動又在一些應力集中較嚴重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至

8、振動附加應力與殘余應力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應力及強化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗加以證明。8此外，我更主張從錯位、晶格滑移等金屬學理論上去解釋振動時效機理。其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（從微觀角度說是工件里的每一個微觀晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值（殘余應力本身是一種勢能）之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（也可以說是對恢