振动时效的新丁.doc

振动时效的新丁 新兴频谱谐波技术不同于传统振动时效方法，可解决覆盖面低、噪音大、振型少、应力消除效果不好及工艺方案人工干预较多等问题，实现真正的节能减耗。 金属工件在焊接过程中，由于受热冷、机械变形作用，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不平稳状态，降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能，使工件在服役过程中产生应力变形和失效，尺寸精度得不到保证。为了消除残余应力，过去通常采用热时效和自然时效。 振动时效工艺处理现场 然而这两种方式都存在诸多弊端：自然时效周期太长，占地面积大，不适宜大批量生产；热时效使用费高，且占地面积大、辅助设备多、耗能高、炉温控制难度高、工件易氧化、易因受热不均致裂，并在冷却过程中产生新的应力。此外，热时效处理劳动条件差，污染环境，机械化自动化水平也不高。而振动时效能显著节能、降低成本、缩短周期。与热时效相比振动时效节约时效成本90%以上，节能95%以上，节约投资90%以上，自然时效周期要半年或两年，热时效需1~2天，而振动时效通常仅需0.5h，最长不超过1h。设备轻便易携，工艺简单，适应性强，自动化程度高，不受工件大小、重量、地点限制。 振动时效概述 1.振动时效原理 振动消除应力简称VSR（Vibratory Stress Relief），它是利用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。 国内外大量的应用实例证明，振动时效对稳定零件的尺寸精度具有良好的作用。 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，无疑是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20%~30%，有时可达50%~60%，同时也可使峰值应力降低，使应力分布均化。 除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一重要因素是松弛刚性，即零件抗变形能力。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。由振动时效的加载试验结果可知，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，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后，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，降低了该处残余应力峰值，并强化了金属基体。而后，振动又在另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均化残余应力及强化金属的作用。图是振动时效工艺处理的现场，其中控制器是控制激振器产生所需振动能量、频率；激振器是刚性连接在工件上，产生激振力，带动工件产生振动的设备，由电机与偏心轮组成；通过传感器，获取工件受振能量信息。 2.振动时效对材料性能的影响 在生产实践中发现，振动时效不仅可以消除工件的残余应力，振动时效后工件的强度指标也有很大提高。可见对工件进行振动处理，会使材料性能得到强化。 振动强化是使工件受外部循环载荷进行受迫振动，激振力来自激振器的偏心部分。这是一个多自由度、有阻尼系统的受迫振动问题。在实际应用中，通过调整激振器的偏心和转速可以对金属材料工件施加交变动应力，而金属材料在交变动应力的作用下会产生位错运动。 交变动应力从零增大至峰值时，随着外加动应力的增大，金属材料位错被激发，不断释放出新位错，并在障碍物前塞积。不断增大的位错塞积群应力场使其邻近晶粒的位错有发生移动的趋势。原有应力场较大地方的塞积首先得以开通，其应力集中得以释放。 交变动应力从最大值下降至零的过程中，位错塞积群的平衡状态破坏，大量的位错会由于移动过程中与其它位错交割，位错密度因此大大增加。随着外加动应力的交变，上述过程不断重复，内应力峰值下降的同时位错不断得到增殖，而位错密度的不断增加有利于材料疲劳强度的提高。 疲劳破坏分三阶段：裂纹萌生、裂纹扩散和瞬时断裂。金属材料的疲劳寿命主要由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分组成。 裂纹萌生总是先在应力最高、强度最弱的部位形成，振动处理后由于高内应力得以降低，分布均化，减少了应力集中的影响；同时位错密度增加使滑移带滑移更加困难，从而使裂纹萌生寿命增加。而材料的位错组态变化和位