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振動時效消除應力的機理及應用
發布時間: 2020-05-25 11:40:55    瀏覽次數:38次   作者:振動時效設備

構件經過焊接、鑄造、鍛造、機械加工等工藝過程,其內部會產生殘余應力,殘余應力的存在極大地影響了構件的尺寸穩定性、剛度、強度、疲勞壽命和機械加工性能,甚至導致產生裂紋和應力腐蝕。

振動時效消除應力的機理及應用

重要的結構都要經過消除應力處理。傳統的消除殘余應力的時效方法有熱時效和自然時效。熱時效是將金屬放置在加熱爐中,經過升溫、保溫和降溫三個過程的溫度變化,使金屬迅速膨脹和收縮,降低材料的屈服極限,因而殘余應力高的地方,就會超出屈服極限,使晶格滑移,產生微小的塑性變形,從而將殘余應力釋放、降低和均化。熱時效需要專用的加熱爐,投資大、能耗大、效率低、污染環境、容易產生新的變形和二次應力。

自然時效是將金屬長期放置露天,利用晝夜的溫差和復雜多樣的“環境震蕩”,使金屬發生緩慢、細微的收縮和膨脹,經長期積累得到釋放殘余應力的目的。自然時效周期長,效率低,導致成本增加。振動時效原理

目前振動時效法消除構件的殘余應力已在國內外得到迅速發展和廣泛應用。

國內外大量的應用實例證明,振動對穩定零件的尺寸精度具有良好的作用,然而對于振動時效穩定尺寸精度的機理,迄今為止尚無系統的、滿意的解釋。

振動時效消除應力的機理及應用

從宏觀角度分析,振動時效使零件產生塑性變形,降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力,無疑是導致零件尺寸精度穩定的基本原因。從分析殘余應力松馳和零件變形中可知,殘余應力的存在及其不穩定性造成了應力松馳和再分布,使零件發生塑性變形。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。零件在振動處理后殘余應力通??山档?20%~30%,有時可達 50%~60%。同時也使峰值應力降低,使應力分布均化。除殘余應力值外,決定零件尺寸穩定性的另一重要因素是松馳剛性,或零件抗變形能力。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,振動時效同樣表現出明顯的作用。由振動時效的加載試驗結果可知,振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件,也高于經熱時效處理的零件。 通過振動而使材料得到強化,使零件的尺寸精度達到穩定。


從微觀方面分析,振動時效可視為一種以循環載荷的形式施加于零件上的一種附加應力。 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的石墨,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值后在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發生塑性變形,這塑性變形降低了該處殘余應力峰值 ,并強化了金屬基體。而后,振動又在另一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用,直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數和不能引起任何部位的塑性變形為止。此時,振動便不再產生消除和均化殘余應力及強化金屬的作用。上述解釋已由大量的試驗加以證明。

振動時效、熱時效、自然時效對比

自然時效降低了少量殘余應力,卻提高了構件的松弛剛度,對彈性體的尺寸穩定性較好,方法簡單易行,但生產周期長,占用場地大,不易管理,不能及時發現彈性體內的缺陷,已逐漸被淘汰。

退火處理建窯占地面積大,費用高(1~1.2 萬元/m2),能耗高,生產成本高。并且爐內溫度不均勻,升降溫速度無法嚴格控制,同一爐內,消除應力也不均勻。勞動強度大,污染嚴重。

冷處理需要建冷庫,投資大,時效周期長(需要反復循環多次),成本高。


振動時效處理的彈性體其殘余應力可以被消除20%~80%左右,高拉應力區消除的比例比低應力區大。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、機加工等工藝過程造成的微觀裂紋的發生??梢蕴岣邚椥泽w抗變形的能力,穩定彈性體的精度,提高機械質量。同時,由于設備簡單易于搬動,可以在任何場地上進行現場處理。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。在處理過程中,振動時效只需30 min即可進行下道工序。而熱時效至少需要一至兩天以上的時間,且需要大量的煤油、電、水等能源。因此,相對與熱時效來說,振動時效可節省能源90%以上,可節省費用95%以上,特別是可以節省建造大型燜火窯的巨大投資。


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