振动时效对金属结构疲劳强度影响的初步探讨.doc

振动时效对金属结构疲劳强度影响的初步探讨 振动时效技术已为越来越多的人们所接受，不仅由于它节省能源、降低生产成本，而且更由于它工艺简单、生产周期短，克服了某些热处理工艺所无法摆脱的问题(如表面氧化、脱碳等)而倍受人们青睐。目前，在机械加工制造行业已普遍采用了这项新技术，不仅为国家节约了大量能源，而且缩短了生产周期、降低了生产成本。例如，铁道部长春客车厂采用振动时效处理209型客车转向架后仅节约热处理能耗一项，每年可为国家节约70.9万元，抚顺机床厂由于采用了振动时效工艺，创造了三个月任务一个月完成的生产记录。 振动时效技术在降低残余力方面已可以与热处理相媲美，但由于它的工艺特点(用振动方法在结构件上施加交变应力，以达到降低应力的目的)，使许多人(包括从事研究和使用人员)仍对它的前景持怀疑态度，这主要因为关于它能否引起结构件的疲劳破坏还存在不同认识。本文仅对此作一初步探讨，并给出实验结果。 1 残余应力对疲劳寿命的影响 由于焊接、铸造等工艺引起的残余应力在工程结构中大量存在，常规设计时，是以焊缝系数来综合计入残余应力及金相组织等的影响的。有关残余应力对结构疲劳强度的影响已开始引起人们的重视。国外已有人开始修订疲劳设计准则，将残余应力的影响纳入规范。从大量的实验结果可以看到，残余应力的影响是不容忽略的。Kudryavtsev早在1956年就得到了这样的结果，他用纵向非承载角焊缝试件做了对比试验，在2×106次循环条件下，消除应力试件疲劳强度为±74N／mm2，而未消除应力试件为±29N／mm2，提高了150倍。并且用辅助试验证实了疲劳强度的提高是直接由残余应力引起的，而不是消除应力的冶金及作用[1]英国焊接研究所为更新Bs153中的疲劳设计准则所进行的大量试验也给出了类似的结果(见图1)。 图2、图3是我们分别对焊接管节点和带横向对接缝试件的试验结果[2]，如果说Kudryavtsev和英国焊接研究所的试验中，疲劳寿命的提高还可能包含消除应力过程中的冶金作用的话，那么，我们的试验结果完全可以肯定地说，疲劳寿命的提高是消除应力的结果。因为，我们应用了振动时效技术消除试件中的残余应力，而这种工艺是不会在试件中产生冶金作用的。因此，可以充分证实残余应力对疲劳强度的显著影响。 nextpage 残余应力的这种影响可以从断裂力学的理论中得到解释。在大量的实验中人们发现，除了应力强度因子幅值△K外，平均应力等因素对疲劳裂纹的扩展也有影响。这种影响可以从图4中看出。图中给出了在不同循环特性(R=Kmin／Kmax)时，用Paris公式整理的da／dN-△K曲线。在同一△K值时，R值越大（平均应力越高），da／dN越大。因此，平均应力为压应力时，疲劳裂纹扩展速率将比平均应力为拉应力时低[3]。这表明了压缩残余应力可以提高疲劳强度。 图5是对表层分别为拉伸残余应力(?滓r0)，压缩残余应力(?滓r0)和无残余应力(?滓r=0)中心切口板试件的疲劳裂纹扩展试验结果[3]。 从上面的分析中看出，残余力改变了交变载荷的名义平均应力，从而改变了循环比R。在残余应力和循环应力叠加后未达到材料的屈服强度时，可以这样来分析结构的疲劳强度，而一旦残余应力和工作应力之和超过了材料的拉伸屈服强度，则结构中实际的应力循环又是另一种情况，由于材料已进入屈服，因此，实际的应力循环都是从拉伸屈服应力向下变化， 理论分析与实验结果都表明：残余应力的存在严重影响了结构的疲劳强度，尤其是焊缝处高达屈服强度的拉伸残余应力将大大降低焊接结构的疲劳强度。 2 振动时效与疲劳寿命 振动时效技术能有效地降低残余应力，稳定结构尺寸，已有大量的应用实例。从降低残余应力这个作用来说，它也将提高结构的疲劳强度，并且已经有了这方面试验结果。如前面已给出管节点试验结果和我们为长春客车厂做的客车转向架试验结果(见下表)[5]。 不过，振动载荷也是一种疲劳载荷，因此，振动时效过程也可以说是一个“疲劳”过程，它能否造成疲劳损伤，降低疲劳强度的问题一直为人们关注。 有关这方面的微观机理研究还没有报道，但是用现有疲劳理论可以给出合理的解释。nextpage 疲劳是材料中的微或亚微原始缺陷在循环载荷作用下，逐步形成宏观裂纹，最后导致材料或工程结构的破坏[6]。 断裂理论认为：疲劳破坏主要经历疲劳裂纹萌生、稳态扩展、失稳扩展和断裂。失稳扩展和断裂是无法控制的瞬间过程。因此，疲劳寿命主要是裂纹萌生和稳态扩展两个阶段的寿命。疲劳裂纹是一般成核于工程材料的微观缺陷，或由于材料性能不均匀而在较低的循环应力下表面局部区域产生的滑移带，疲劳裂纹萌生寿命包括微观裂纹的成核与扩展两个过程，是疲劳损伤的累积过程。 当金属材料承受交变载荷时，其组织与性能要发生变化(硬化或软化)。开始时，这些变化是均匀发生的，当循环周次达