振动时效技术的原理及应用

第四章振动时效技术的原理及应用

最近十多年来，国内外使用振动处理的方法消除金属构件内的残余应力，以防止构件变形和开裂，代替传统的热时效和自然时效。这种技术在国外称做”VSR”技术,它是”Vibratory Stress Relief”的缩写，由于这种方法可以降低和均化构件内的残余应力，因此可以提高构件的使用强度，可以减小变形而稳定构件的精度，可以防止或减少由于热时效和焊接产生的微观裂纹的发生。特别是在节省能源、缩短生产周期上具有明显的效果，因此被许多国家大量使用。我们在该项技术的机理研究和应用上取得了较大的进展。

一、振动时效工艺的简单程序

振动处理技术又称做振动消除应力法，在我国称做振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统称做激振器安放在构件上，并将构件用橡胶垫等弹性物体做支撑，如图所示。

通过控制器启动电机并调节其转速，使构件处于共振状态，约经20—30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。图中的振动测试系统是用来监测动应力幅值及其变化的。实际生产上使用中不需要做动应力监测，振动时效设备本身具有模拟振幅监测系统。

可见，用振动调整残余应力的技术是十分简单和可行的。

二、振动时效工艺特点

振动时效之所以能够取代热时效，是由于该技术具有明显的优点。

1、机械性能显著提高

经过振动时效处理的构件其残余应力可以被消除20%—80%左右，高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力，稳定构件的精度，提高机械质量。

2、适用性强

由于设备简单易于搬动，因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到几十吨的构件都可以使用振动时效技术。特别是对于一些大型构件无法使用热时效时，振动时效就具有更加突出的优越性。

3、节省时间、能源和费用

振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需要一至两天以上，且需要大量的煤油、电等能源。因此，相对与热时效来说，振动时效可节省能源90%以上，可节省费用95%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。

三、振动时效工艺的发展及应用

用振动的方法消除金属构件的残余应力技术，于1900年在美国就取得了专利。但由于人们长期使用热时效，加上当时对振动时效消除残余应力的机理还不十分明确，且高速电机尚未出现

造成设备沉重、调节不便，因此该技术一直未得到实际应用。

§4—1振动时效的原理

国内外大量的应用实例证明，振动时效对消除和均化残余应力，稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。同时对振动时效的机理也做了大量的研究和探讨。

从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无意识导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低30~55﹪，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。

除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一种重要因素是松弛刚性，或零件的抗变形能力。

有时虽然零件具有较大的残余应力，但因其抗变形能力强，而不致造成大的变形。在这一方面，振动时效同样表现出明显的作用。由振动时效的加载实验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。通过振动而使材料得到强化，使零件的尺寸精度达到稳定。

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得石墨。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，并强化了金属机体。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性别为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属作用。上述解释已由大量的试验加以证明。

此外，我更主张从错位、晶格滑移等金属学理论上去解释振动时效机理。其主要观点是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井势（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回复平衡状态，使应力集中处地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，四芯电缆

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，此处的残余应力在震动处理过程中消除的就越多。只有从这一观点上才能解释通许多用第一种观点所解释不通的一些现象，比如：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。

§4—2振动时效工艺

振动时效处理过程是将激振器刚性夹持在被处理工件的适当位置，首先根据零件大小，形状和加持情况来调节激振频率，最好使零件在其固有频率下进行共振，然后根据零件所需动应力或振幅的大小来调节激振力。零件的振动状态和动应力，可用测量振动和应力的仪表来检测。通常将感受元件（加速度计或速度计）接于被振物体上，振动时，感受元件把接收到得振动信号送往测试仪表，经放大电路将信号放大并指示出各种所需的参数值。振动状态的主要指示参数是振幅、频率和振型。振动状态和激振力的控制是通过控制激振器的控制装置来实现的。它能调节激振力、激振频率和振动时间。被处理零件在所需频率和振动强度下振动一段时间后，振动时效即告结束，