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振动时效原理

分类:消除残余应力    关键词:振动时效

金属结构件在铸造、焊接、锻造、机械加工、热处理、校直等制造过程中在工件的内部产生残余应力,而残余应力的存在必然会导致一些不良的后果出现。如:降低工件的实际承载能力而生裂纹;易发生变形而影响工件的尺寸精度;加速应力腐蚀;降低工件的疲劳寿命等。为消除残余应力,传统的工艺方法是采用自然时效和人工时效,人工时效有热时效和振动时效。

振动消除应力简称VSR(Vibratory Stress Relief),它是利用一受控振动能量对金属工件进行处理,达到消除工件残余应力的目的。振动时效工艺的实施如下图所示:

  振动时效又称振动消除应力法,是将工件(包括铸件、锻件、焊接构件,机加工件等)在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理,消除和均化其残余应力,使尺寸精度获得稳定的一种方法。这种工艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点。近年来在国内外已得到迅速的发展和广泛的应用。

1915年在美国产生世界上第一台关于振动消除残余应力的专利。直到五十年代后期,电动机制造水平的提高,轻巧的振动时效设备陆续在美国、德国、英国、法国、苏联等国家出现,并不断地被应用到机械制造业中,大量的实际应用证明这种方法比热时效更能提高工件的尺寸稳定性。

国内发展及现状国内发展较晚,首先由孙照清总工程师等老一辈技术专家于74年出国考察,把技术带回国内,并开始在机械部、航空部研究移植,并在“六五”期间在机械部提出攻关课题―――提高机床铸件产品质量的大课题里面确定“振动时效可行性研究”。八五年机械部特批二万五千美金与美国马丁公司合作,引进当时世界上最先进的VSR-790型振动时效设备及相关技术。特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术时效设备要求》标准的诞生,使该技术得以较快的推广和发展。振动时效工艺技术,通过近六十多年的探索和开发不断完善,由于其环保、节能和加工便利,因此是现代的朝阳工业。

国内外大量的应用实例证明,振动时效对降低或匀化金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有非常好的效果。同时对振动时效的机理也做了大量的研究和探讨。振动时效(VSR)消除残余应力使工件获得尺寸稳定性的机理可以从宏观和微观两方面解释:

宏观上,当σ动 +σ残 ≥σS 时(σ动 --激振器施加给工件的周期性动应力,σ残 --残余应力,σS --材料屈服强度极限),工件会产生少量的塑性变形,使残余应力峰值下降,通常可降低30~55% ,同时也使峰值应力降低,使应力分布均匀化。原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化。同时由于包辛格效应,经一定时间的循环后,工件材料的当量屈服强度由原来的σS 上升,直到与所受的应力相等,工件内部不再产生新的塑性变形,此时塑性变形变成弹性变形,工件的弹性性能得到强化,从而使工件的几何尺寸趋于稳定。

从微观方面分析,振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加动应力。众所周知,工程上采用的材料都不是理想的弹性体,其内部存在着不同类型的微观缺陷。铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨。故而无论是钢、铸铁或其他金属,其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时,施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值时,在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形。这种塑性变形降低了该处残余应力峰值,并强化了金属基体。而后,振动又在一些应力集中较严重的部位上产生同样作用,直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止,此时,振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属的作用。上述解释已由大量的试验加以证明。

此外,振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下,给工件的每一部位(从微观角度说是工件里的每一个微观晶格)施加一定的动能量,如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值(残余应力本身是一种势能)之和,足以克服微观组织周围的阻尼 (也可以说是对恢复平衡的束缚力) ,则微观区域必然会产生塑性变形,使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态,使应力集中处的位错得以滑移并重新钉扎,达到消除和均化残余应力的目的。对于残余应力集中的地方,残余应力值较大,其微观组织本身所具有的回复平衡状态的势能值也较大,所以,此处的残余应力在振动处理过程中消除的就越多。这也是在振动处理过程中我们只需施加一个方向的主动应力,就能消除包括垂直主动应力方向上的所有残余应力等的原因。


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