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振動時效技術及殘余應力概述

一、振動時效技術應用。

振動時效技術,國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”,旨在 通過專業的振動時效設備,使被處理的工件產生共振,并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件的所有部位,使工件內部發生微觀的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復平衡狀態。位錯重新滑移并釘扎,從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化,最終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂,保證工件尺寸精度的穩定性。

二、振動時效的特點

1.時效效果好

2.靈活性強

3.徹底解決了熱時效爐窯的環境污染問題

4.投資少

5.節能顯著

6.效率高

7.特別時候不宜高溫時效的材料和零件的消除應力處理

三.振動時效與熱時效特點比較

項目

熱時效

振動時效

應力消除

40-80%

30-90%

能源消耗

比熱時效節能95%

環境保護

有煙氣粉塵廢渣排放

無污染

尺寸穩定性

較好

比熱時效提高30%以上

生產費用

150-300元/噸

4-10元/噸

時效周期

20-60小時

20-50分鐘

抗變形

較差

比熱時效提高30-75%

時效氧化

較大

可忽略不計

時效變形

大型工件

無法進爐處理

可方便就地處理

四、振動時效的由來及現狀

1.由來及國外的應用情況

在工件的鑄造、焊接、鍛造、機械加工、熱處理、校直等制造過程中在工件的內部產生殘余應力,而殘余應力的存在 必然會導致一些不良的后果出現。

如:降低工件的實際承載能力而生裂紋;

易發生變形而影響工件的尺寸精度;

加速應力腐蝕;

降低工件的疲勞壽命等。

消除應力有:自然時效、熱時效、振動時效、靜態過載時效、爆炸時效、循環加載時效等,雖然都有有缺點,但都在一定程度上達到消除和均化的目的。

振動時效源自于敲擊時效,在焊接中,施焊一段時間后立即用小錘對焊縫及周邊進行敲擊以防止裂紋產生,其原因就是隨時將焊接應力消除一些,以免最終產生較大的應力集中。

敲擊法能量有限,后來發現使工件產生共振時,可給工件出入最大的振動能力,從而于1915年在美國產生世界上第一臺關于振動消除殘余應力的專利。直到五十年代后期,電動機制造水平的提高,輕巧的振動時效設備陸續在美國、德國、英國、法國、蘇聯等國家出現,并不斷地被應用到機械制造業中,大量的實際應用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩定性。

2.國內發展及現狀

國內發展較晚,首先由孫照清總工程師等老一輩技術專家于74年出國考察,把技術帶回國內,并開始在機械部、并在“六五”期間在機械部提出攻關課題―――提高機床鑄件產品質量的大課題里面確定“振動時效可行性研究”。八五年機械部特批二萬五千美金與美國馬丁公司合作,引進當時VSR--790型振動時效設備及相關技術。特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數選擇及技術時效設備要求》標準的誕生,使該技術得以較快的推廣和發展。

第二章關于殘余應力

一、殘余應力的分類

1.力相互作用或平衡范圍分類

2.金屬學分類

3.應力產生的工藝過程分類:

4.按引起殘余應力的工藝機構分類

5.按物理學分類

6.按應力存在時間的長短分類

二、殘余應力的機理

1.由于機械加工產生不均勻的塑性變形引起的殘余應力。

2.由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產生的殘余應力。

3.由于公差產生的殘余應力。

4.還有由于化學變化等多種原因都可能產生殘余應力。

三、殘余應力對金屬構件的影響

1.對金屬材料屈服極限的影響

2.殘余應力對疲勞壽命的影響

3.殘余應力對構件變形的影響

4.殘余應力對金屬脆性破壞的影響

第三章消除殘余應力的方法

一、自然時效

自時效是通過把零件暴露于室外,經過幾個月甚至幾年的時間,使其尺寸精度達到穩定的一種方法。這種時效方法早已被普遍采用。大量的試驗研究和生產實踐證明,自然時效具有穩定鑄件尺寸精度的良好效果。

二、熱時效

1.用的工藝方法就是進行消除應力的退火,這種方法的特點就是能夠大幅度的降低構件的殘余應力,尺寸精度穩定。

構件加熱到400-700°C時,技術構件即具有相當的單行,同時具有明顯的塑性,這個溫度范圍稱為彈性轉變溫度。

2.影響熱時效效果的因素

a.熱時效中,退火溫度是影響消除殘余應力效果的最重要因素。

b.熱時效保溫時間

c.熱時效升溫速度

d.熱時效降溫速度

e.熱時效爐的溫差

f.工件在爐中的放置與支撐

三、靜態過載法   

是以靜力或靜力矩的形式,暫時加載于構件上,并在這種載荷下保持一段時間,從而使零件尺寸精度獲得穩定的時效方法。

用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應力與附加應力之和接近于材料的屈服極限,才能消除殘余應力。

靜態過載法的精度穩定性效果,取決于附加應力的大小及應力下保持時間。

特別指出,靜態過載法處理后構件中仍然保持著相當大的殘余應力。

四、熱沖擊時效法

1970年前后出現的一種新穎的穩定工件尺寸精度的時效工藝法。

其實質就是將工件進行快速加熱,使加熱過程中造成的熱應力正好與殘余應力疊加,超過材料的屈服極限引起塑性變形,從而使原始殘余應力很快松弛并穩定化。

五、超聲波時效法超聲波時效法首先在前蘇聯誕生,并在發達國家得到推廣,該對消除應力非常嚴格的領域。

1.投資少

2.生產周期短

3.使用方便

4.適應性強

5.節約能源,降低成本

6.機械性能顯著提高

7.符合環保要求

8.操作簡單,易于實現機械自動化。

9.可避免金屬零件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。

二、振動時效的機理

1.從宏觀的角度分析,振動時效使零件產生塑性變形,降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力,無疑是導致零件尺寸精度穩定的基本原因。由振動時效的加載試驗結果可知,振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件,也高于經熱時效處理的零件。

2.從微觀方面分析,振動時效可視為一種以循環載荷的形式施加于零件上的一種附加的動應力。

3.從錯位、晶格滑移等金屬學理論上解釋,其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態下,給工件的每一部位(晶格)施加一定的動能量,如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值之和,足以克服微觀組織周圍的井勢(恢復平衡的束縛力),則微觀區域必然會產生塑性變形,使產生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態,使應力集中處的錯位得以滑移并重新釘扎,達到消除和均化殘余應力的目的。

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