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振动时效去应力的机理

更新时间:2020/10/24  点击数:142


在对材料进行机械或热加工的过程中,由于不同部位受力或受热程度不同,不均匀的塑性变形(包括由温度等引起的不均匀体积变化)致使材料内部在产生应力的各种因素不存在时(如外力去除,温度已均匀等),依然存在并且自身保持平衡的弹性应力,即残余应力。残余应力在材料学研究和工程实践中是一个广泛而重要的问题,其对材料的影响可分为两方面:残余应力的存在对材料的疲劳强度及尺寸稳定性等均造成不利影响,同时,出于改善材料性能的目的,在材料表面还要人为地引入压应力。在材料构件加工制造的过程中,不可避免地在部件内部产生残余应力,因此将其去除或加以松弛,并进一步通过再分布加以调整是很有必要的。

为降低和调整残余应力,通常应采用时效技术。按照方式的不同,可分为自然时效(Natural Stress Relief,NSR)、热时效(Thermal Stress Relief,TSR)以及振动时效(Vibration Stress Relief,VSR)[3]技术。其中NSR是把构件在自然条件下放置较长一段时间,以使残余应力逐渐松弛。自然时效法对构件的尺寸稳定性较好,方法简单易行,但生产周期长、效率低,不能适应现代加工技术的需要。TSR是通过对构件进行一定温度的热处理以降低材料的屈服极限,从而在高温下较快地完成塑性变形来释放残余应力[4-5]。目前TSR方法已在工业上获得广泛应用,在合理的工艺下,能够获得很好的时效效果。但是该技术也存在一定的局限性,热处理设备费用较高,特别是对于大型、结构复杂的构件,需要建立大空间的热处理装置,对能源消耗大,且热处理过程对环境有一定污染。另外,构件可能出现热处理变形的问题,同时也可能引入新的残余应力[6-10],降低了热时效处理效果。 将构件在交变外力作用下进行一定时间的共振,以降低其残余应力的一种时效方法[11-12],即振动时效技术。与传统热时效技术相比,其操作时间短,仅需几十分钟,而热时效至少需要一天;设备简单易于搬动,实施环境条件灵活;成本低,可节省费用90%以上,特别是不需建造大型窑炉;残余应力降低效果好;节能环保,可节省能源90%以上。目前振动时效技术已部分取代热时效,其应用领域已覆盖金属构件制造、焊接、铸造等[13-16],成为许多国家制造机械构件时必须使用的工艺。近年来,随着技术不断进步,振动时效机理和技术手段不断进步,已研究开发了多种基于不同原理和特殊应用的振动时效工艺,有力地推动了振动时效技术的发展、应用与推广。

 振动时效技术

 振动时效技术机理

振动时效是用激振设备在构件残余应力集中处施加等幅交变循环激振力,构件在共振状态下获得较大的激振动应力,在某个方向上的合应力超过材料的屈服极限,该处会产生屈服变形,引起残余应力松弛并释放出来,使残余应力均匀分布[17]。这种方法不仅能有效地降低峰值残余应力,而且能使整体残余应力值下降。

1 为金属材料受等幅交变应变 eB -eC 作用时 的应力应变曲线,图中 OA 为弹性载荷段,构件的 初始残余 s A ACB  是第一次生屈服变形 后的应力应变曲线构件内的总应力超过屈服点而 发生变形 C 处残应力沿弹性卸载荷线 CB' 下 降经过 D 点后曲线偏离 CB' B 完成一次交变应变循环经过多次交变循环后曲线循环稳定 为 C'E'B"EC' 此时残余应力s A 减小s E 残余 应力减小稳定的过就是振动效宏观机的直观表示。

要消除或减小工件中的残余应力,必须满足以下条件:

要消除或减小工件中的残余应力必须满足以下条件:

(1)  构件残余激振的激振应力叠加的总应力超过材料服极限。s +s >ss 其中s 为构件内部残余应力s为激振动应力ss 为材料的屈服极限。

(2)  随着振时效增长内部的余应力会由于发生塑性屈服而下降当残余应力降 低到与振动应力叠加后等于新的屈服极限时构件 内的将达到平衡,使构件尺寸稳定性得到提高。

(3)  残余应随时的进,并最 终达到平衡如果要继续降s 就必须增s 否则在构件达到平衡后的振动是无效的。

 

从微观角度来看残余应力降低的本质是通过 某种微观局部的塑变形使构中的弹性变能逐渐释放的过程。构件晶体内有大量位错存在, 在循环应变下位错克服阻力产生滑移使晶体产 生微观塑性变形残余应力的峰值降低使构件原 来的内应力场发生,内应力降低并重新分, 进而达到平衡在振动交变应力的连续激励下不断被激出位错。着不断对件施加循应 力位错将会变得更加均匀位错的移动即晶体屈服的开始此时材料开始发生塑性变形上述过程将会使应力集中区的应力减小残余应力的峰值降低。

 

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