振動時效技術(shù)的原理及應(yīng)用

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1、第四章振動時效技術(shù)的原理及應(yīng)用最近十多年來，國內(nèi)外使用振動處理的方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，以防止構(gòu)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(shù)在國外稱做”VSR”技術(shù),它是”VibratoryStressRelief”的縮寫，由于這種方法可以降低和均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，因此可以提高構(gòu)件的使用強(qiáng)度，可以減小變形而穩(wěn)定構(gòu)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(xiàng)技術(shù)的機(jī)理研究和應(yīng)用上取得了較大的進(jìn)展。一

2、、振動時效工藝的簡單程序振動處理技術(shù)又稱做振動消除應(yīng)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(jī)系統(tǒng)稱做激振器安放在構(gòu)件上，并將構(gòu)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(jī)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使構(gòu)件處于共振狀態(tài)，約經(jīng)20—30分鐘的振動處理即可達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。圖中的振動測試系統(tǒng)是用來監(jiān)測動應(yīng)力幅值及其變化的。實(shí)際生產(chǎn)上使用中不需要做動應(yīng)力監(jiān)測，振動時效設(shè)備本身具有模擬振幅監(jiān)測系統(tǒng)?？梢?，用振動調(diào)整殘余應(yīng)力的技術(shù)是十分簡單和可行的。二、振動時效工藝特點(diǎn)振動時效之所以能夠取代熱時效，是由

3、于該技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。1、機(jī)械性能顯著提高經(jīng)過振動時效處理的構(gòu)件其殘余應(yīng)力可以被消除20%—80%左右，高拉應(yīng)力區(qū)消除的比例比低應(yīng)力區(qū)大。因此可以提高使用強(qiáng)度和疲勞壽命，降低應(yīng)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?？梢蕴岣邩?gòu)件抗變形的能力，穩(wěn)定構(gòu)件的精度，提高機(jī)械質(zhì)量。2、適用性強(qiáng)由于設(shè)備簡單易于搬動，因此可以在任何場地上進(jìn)行現(xiàn)場處理。它不受構(gòu)件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾十噸的構(gòu)件都可以使用振動時效技術(shù)。特別是對于一些大型構(gòu)件無法使用熱時效時，振動時效就具有更加突出的優(yōu)

4、越性。3、節(jié)省時間、能源和費(fèi)用振動時效只需30分鐘即可進(jìn)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(fèi)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(yīng)用8用振動的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，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(dāng)時對振動時效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理還不十分明確，且高速電機(jī)尚未出現(xiàn)造成設(shè)備沉重、調(diào)節(jié)不便，因此該技術(shù)一直未得到實(shí)際應(yīng)用?！?—1振動時效的原理

5、國內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明，振動時效對消除和均化殘余應(yīng)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(jī)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(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無意識導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應(yīng)力松弛和零件變形中可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)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(yīng)力，特別是危險的峰值應(yīng)力。振動時效同樣可以降低殘余應(yīng)力。零件在振動處理后殘余應(yīng)力通常可降低30~55﹪，同時也使

6、峰值應(yīng)力降低，使應(yīng)力分布均勻化。除殘余應(yīng)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(jī)顯示器打印輸出有時雖然零件具有較大的殘余應(yīng)力，但因其抗變形能力強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)化，使零件的尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加動應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料

7、都不是理想的彈性體，其內(nèi)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(yīng)力集中。當(dāng)受到振動時，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值時，在應(yīng)力集中最嚴(yán)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(yīng)力峰值，并強(qiáng)化了金屬機(jī)體。而后，振動又在一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應(yīng)力與殘余應(yīng)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

8、，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗(yàn)加以證明。8此外，我更主張從錯位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上去解釋振動時效機(jī)理。其主要觀點(diǎn)是振動時效處理過程實(shí)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(yīng)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