振动时效机理研究及其工艺参数选择
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收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — １ ２ — ０ ３ 作者简 介： 关六 三（ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 河南人 ， 副教授 ， 研究 方 向： 计算机 应用及 机械制 造 ； 程 卫（ １ ９ ８ ６ 一） ， 男， 浙江 人 ， 研 究生 ， 研究 方向 ： 机械设计 。
２ ０
等。 从能量的角度来看 ， 金属受到外力做功发生塑性 第一次应力交变时的应力和应变 。当应力 比Ａ点稍 变形 ， 大部分转化成为热能 ， 但有小部分以畸变能的 高时 ，曲线将偏离弹性直线而进入塑形变形直到 Ｃ ， 形式存在回 ， 残余应力就是点阵畸变能的一种表现。 从 Ｃ Ｄ平行 于弹性线 ， Ｄ Ｂ的偏离是 由于包 申格效应造
布 和 峰值 过 高 造成 工 件 抗 变形 能 力下 降 、疲 劳极 限 部 晶格 畸变 的一种 体现 形 式 。
降低 、 以及抗拉性能下降等 。 为了消除残余应力， 传统
工件 中的残余应力不是恒值 ，它们可 以随时间
工艺 中通 常采用热 时效 的方法来加以解决 ，但这种 及 因各种外界作用而变化 。 残余应力的消除或调整 ， 方法的缺点也非常显著 。近年来 ， 在日 益完善 的振动 有靠热作用的方法也有靠机械作用的方法 。热方 法 理论和测试技术的影 响下 ，振动时效正逐步代替热 即普通所说的退火 。机械方法是靠施加静应力或动 时效成为消除残余应力使用最 多的一种方法 。振动 应力 ， 使残余应力减小或再分布。当施加的外力和残 时效作为一种 比较新颖的时效工艺， 其优点是非常明 余应力 叠加超过材 料 的弹性极 限并引起 塑性变 形
显的， 但 至 今 没 有 能大 范 围推广 ， 主要 原 因是 振 动 时
时， 就可以使残余应力降低。
效机理 的几种解释还 没有得到一致 的认可 。Baidu Nhomakorabea此对 振 动 时 效 技术 的机理 和效 果 检测 方 法做 进 一 步 深 入 ２ 振 动 时效 机 理 研究 是 十分 有必 要 的 。
１ 残余应力 的特 征及 消除方法
振动时效 的基本原理是对工件施加激振力 ， 使 其在共振频率下振动 ，激振力在工件 内产生 的动应 力与残余应力叠加 ，使材料达到微小塑形屈服从而
残余应力按力场作用的范围可分为三类Ⅲ 。 第一 使残余应力释放或者均化。从宏观方面看， 振动时效 类 是宏 观 内应 力 ，这 类 应力 是 由物体 内不均 匀 的力 消除残余应力要考虑交变应力作用下残余应力的稳 场， 温度场或材料场引起 的。第二类是微观 内应力 ， 定性。在交变应力作用下 ， 材料 内若发生塑性变形残 这类应力是在晶粒尺寸范围内平衡的应力 。第 三类 余应力就会松弛。此 时残余应力是作为平均应力 而 是超微 观内应力 ，这类应力是在单位 晶胞范围内平 起作用的。图 １ 为Ｌ ｕ ｂ ａ ｎ 、 Ｆ ｅ ｌ ｇ ｅ ｒ 对存在残余应力时 ，
中图分类号 ： Ｔ Ｇ１ ５ ６ ． ９ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ４） ０ ２ — ０ ０ ２ ０ — ０ ３
金属工件在经过淬火、 铸造 、 机加工等处理过程 微观 的角度来看 ，残余应力是 已发生塑性变形 部分 之后会产生大量的残余应力 。残余应力 的不均匀分 与未 发 生 塑性 变 形 部分 的相互 牵 制 ，是 应 力 工件 内
衡的应力。不论是 由何种因素造成的残余应力 ， 他们 材料在交变应力作用下应力与应变 曲线关 系实验结 具有如下共 同特征 ， 即残余应力之 和为零 ， 物体 内有 论【 ３ ］ 。由图我们可以看到残余应力的变化过程。材料 压应力 区就必然存在拉应力区 ，拉应力之和与压应 受到最大应变为 Ｅ Ｃ ， 最小应变为 ｓ 的交变应力作用 。 力之和相等 ，但最大拉应力与最大压应力不一定相 设施加交变应力前 的残余应力为 Ａ，回线 Ａ Ｃ Ｄ Ｂ是
摘 要： 从宏观 和微观 两个角度 分析振 动过程 中残余 应力的变化， 阐述 了振动 消除残余应 力的机理。从宏观上讲 ， 当残余 应 力与外加动应力 叠加 大于材料屈服极 限时发 生塑Ｉ ｝ 生变形 ， 残余应力会得到释放 ； 从微 观上讲 ， 在 外力作 用下位错 塞积
开通的运动可 以降低 、 均化残余应力峰 值。 同时 ， 提 出了检测残余应 力和振 动参数 选择 的方法。 关键词 ： 振 动时效 ； 残余应 力； 位错； 振动 时效参数
《 装备制造技术） ） ２ ０ １ ４ 年第 ２ 期
成 。随后 ， 应 力 充分 反复 并 控制 在宏 观疲 劳 裂 纹不 能 应力是众多因素导致的晶格畸变 的结果。而晶界 、 亚
在材料扩展的限度 内，最终应力和应变将处 于稳定
晶界本质上也是 由大量的位错堆积而成 ，所 以残余
的回线上线。 残余应力就 由Ａ下 降到 Ｅ 。 在上述过程 应 力 的本 质 是 晶格 的畸 变 ，而 晶格 畸 变是 由位 错 引
中，要求外加应力和残余应力的叠加要超过材料 的 起的。也可 以认为 ， 残余应力以一种畸变能的形式存
屈 服极 限 ［ ４ 】 ， 即
ｄ＋ Ｏ＂ ｒ＞ Ｏ＇ ｓ
在于晶体 中。位错在 晶体 中之所 以不能均匀分布 ， 除 了位错塞积之外 ， 另一个重要原因就是位错 的钉扎 ， 位错线的两端被钉扎而不能 自由移动。在外加振 动
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ２， ２ ０ １ ４
振动 时效机理研 究及 其工艺参数选择
关六 三 ’ 。 程 卫 ｚ
（ １ ． 黄河水利职业职业技术学院， 河南 开封 ４ ７ ５ ０ ０ ４ ； ２ ． 广西大学 ， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ０ ４ ）
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等。 从能量的角度来看 ， 金属受到外力做功发生塑性 第一次应力交变时的应力和应变 。当应力 比Ａ点稍 变形 ， 大部分转化成为热能 ， 但有小部分以畸变能的 高时 ，曲线将偏离弹性直线而进入塑形变形直到 Ｃ ， 形式存在回 ， 残余应力就是点阵畸变能的一种表现。 从 Ｃ Ｄ平行 于弹性线 ， Ｄ Ｂ的偏离是 由于包 申格效应造
布 和 峰值 过 高 造成 工 件 抗 变形 能 力下 降 、疲 劳极 限 部 晶格 畸变 的一种 体现 形 式 。
降低 、 以及抗拉性能下降等 。 为了消除残余应力， 传统
工件 中的残余应力不是恒值 ，它们可 以随时间
工艺 中通 常采用热 时效 的方法来加以解决 ，但这种 及 因各种外界作用而变化 。 残余应力的消除或调整 ， 方法的缺点也非常显著 。近年来 ， 在日 益完善 的振动 有靠热作用的方法也有靠机械作用的方法 。热方 法 理论和测试技术的影 响下 ，振动时效正逐步代替热 即普通所说的退火 。机械方法是靠施加静应力或动 时效成为消除残余应力使用最 多的一种方法 。振动 应力 ， 使残余应力减小或再分布。当施加的外力和残 时效作为一种 比较新颖的时效工艺， 其优点是非常明 余应力 叠加超过材 料 的弹性极 限并引起 塑性变 形
显的， 但 至 今 没 有 能大 范 围推广 ， 主要 原 因是 振 动 时
时， 就可以使残余应力降低。
效机理 的几种解释还 没有得到一致 的认可 。Baidu Nhomakorabea此对 振 动 时 效 技术 的机理 和效 果 检测 方 法做 进 一 步 深 入 ２ 振 动 时效 机 理 研究 是 十分 有必 要 的 。
１ 残余应力 的特 征及 消除方法
振动时效 的基本原理是对工件施加激振力 ， 使 其在共振频率下振动 ，激振力在工件 内产生 的动应 力与残余应力叠加 ，使材料达到微小塑形屈服从而
残余应力按力场作用的范围可分为三类Ⅲ 。 第一 使残余应力释放或者均化。从宏观方面看， 振动时效 类 是宏 观 内应 力 ，这 类 应力 是 由物体 内不均 匀 的力 消除残余应力要考虑交变应力作用下残余应力的稳 场， 温度场或材料场引起 的。第二类是微观 内应力 ， 定性。在交变应力作用下 ， 材料 内若发生塑性变形残 这类应力是在晶粒尺寸范围内平衡的应力 。第 三类 余应力就会松弛。此 时残余应力是作为平均应力 而 是超微 观内应力 ，这类应力是在单位 晶胞范围内平 起作用的。图 １ 为Ｌ ｕ ｂ ａ ｎ 、 Ｆ ｅ ｌ ｇ ｅ ｒ 对存在残余应力时 ，
中图分类号 ： Ｔ Ｇ１ ５ ６ ． ９ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ４） ０ ２ — ０ ０ ２ ０ — ０ ３
金属工件在经过淬火、 铸造 、 机加工等处理过程 微观 的角度来看 ，残余应力是 已发生塑性变形 部分 之后会产生大量的残余应力 。残余应力 的不均匀分 与未 发 生 塑性 变 形 部分 的相互 牵 制 ，是 应 力 工件 内
衡的应力。不论是 由何种因素造成的残余应力 ， 他们 材料在交变应力作用下应力与应变 曲线关 系实验结 具有如下共 同特征 ， 即残余应力之 和为零 ， 物体 内有 论【 ３ ］ 。由图我们可以看到残余应力的变化过程。材料 压应力 区就必然存在拉应力区 ，拉应力之和与压应 受到最大应变为 Ｅ Ｃ ， 最小应变为 ｓ 的交变应力作用 。 力之和相等 ，但最大拉应力与最大压应力不一定相 设施加交变应力前 的残余应力为 Ａ，回线 Ａ Ｃ Ｄ Ｂ是
摘 要： 从宏观 和微观 两个角度 分析振 动过程 中残余 应力的变化， 阐述 了振动 消除残余应 力的机理。从宏观上讲 ， 当残余 应 力与外加动应力 叠加 大于材料屈服极 限时发 生塑Ｉ ｝ 生变形 ， 残余应力会得到释放 ； 从微 观上讲 ， 在 外力作 用下位错 塞积
开通的运动可 以降低 、 均化残余应力峰 值。 同时 ， 提 出了检测残余应 力和振 动参数 选择 的方法。 关键词 ： 振 动时效 ； 残余应 力； 位错； 振动 时效参数
《 装备制造技术） ） ２ ０ １ ４ 年第 ２ 期
成 。随后 ， 应 力 充分 反复 并 控制 在宏 观疲 劳 裂 纹不 能 应力是众多因素导致的晶格畸变 的结果。而晶界 、 亚
在材料扩展的限度 内，最终应力和应变将处 于稳定
晶界本质上也是 由大量的位错堆积而成 ，所 以残余
的回线上线。 残余应力就 由Ａ下 降到 Ｅ 。 在上述过程 应 力 的本 质 是 晶格 的畸 变 ，而 晶格 畸 变是 由位 错 引
中，要求外加应力和残余应力的叠加要超过材料 的 起的。也可 以认为 ， 残余应力以一种畸变能的形式存
屈 服极 限 ［ ４ 】 ， 即
ｄ＋ Ｏ＂ ｒ＞ Ｏ＇ ｓ
在于晶体 中。位错在 晶体 中之所 以不能均匀分布 ， 除 了位错塞积之外 ， 另一个重要原因就是位错 的钉扎 ， 位错线的两端被钉扎而不能 自由移动。在外加振 动
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ２， ２ ０ １ ４
振动 时效机理研 究及 其工艺参数选择
关六 三 ’ 。 程 卫 ｚ
（ １ ． 黄河水利职业职业技术学院， 河南 开封 ４ ７ ５ ０ ０ ４ ； ２ ． 广西大学 ， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ０ ４ ）