振动时效原理2

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振动时效原理2

振动时效原理

为了降低和均化构件内的成型内应力，保持构件的尺寸精度，生产上采用的方法大致可分为以下两大类。第一类：使内应力大量消除，如热时效（将构件加热到520-550℃保温一段时间然后缓慢冷却至室温）一般可以消除残余应力的50-80%。 第二类：提高构件的松弛刚度，而不大量消除内应力，如自然时效和加载处理等。 振动时效的作用是以上两类时效方法综合的结果，它不仅大量消除和均化成型内应力（降低成型内应力35-55%），而且还可以有效的提高构件的松弛刚度和抗动载荷不变形能力。振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加，使构件局部产生塑性不变形而释放应力。这里，残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用。振动处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点将产生塑性不变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到材料的屈服极限，也同样会产生微观的塑性不变形，况且这些塑性不变形往往是首先发生在残余应力最大的点上，因此，使这些点受约束的不变形得以释放从而降低了残余应力。这就是用振动时效可消除残余应力的机理。振动消除残余应力是在交变应力达到一定周次后实现的，这就是包辛格效应的结果?/font>?br>一、等幅荷载反复作用下金属材料的应力与应变图21是将试件在材料试验机上进行拉伸，当荷栽为变幅递升多次反复时的应力-应变曲线示意图。从图中曲线可见，材料的屈服极限在逐渐提高，残余不变形再逐渐增大，最后导致破坏。而图22是等幅（σ0＞σ0）重复荷栽作用下的拉伸曲线示意图。σ0为重复荷载的幅值，σ0＞σ0从图中可见，每次拉伸都使屈服点比前一次有所提高，滞后曲线面积减少，残余不变形减少。经过若干次之后，残余应变为0，说明不在出现新的塑性不变形，材料处于安定状态。这正是振动时效力学机理的静态模拟。

二、振动处理过程中材料的应力和应变振动处理是对构件施加一交变应力，而残余应力相当于平均应力而改变了总应力水平。但在交变应力作用下，残余应力是一个不稳定的力学量，在振动处理过程中逐渐下降，使总应力水平降低。从图23中可以看到在振动处理过程中残余应力的变化情况，当材料受到等幅交变作用（ωc-ωB）时，如果材料已经屈服，则残余应力下降。设处理前的残余应力为σA，回线ACB是第一次交变循环时的应力和应变曲线。当总应力超过A点后，材料进入塑性直到C点。而C B又平行于弹性线，CB末端却又偏离弹性线。这些现象都是由包辛格效应所致。经过一定次数的循环后应力和应变均处于稳定的回线上。如图中曲线所示，残余应力由σA下降到σE而不再变化。

图23和图21从原理上来说是相同的，都说明要使构件中的残余应力下降，必须使作用应力与残余应力叠加后大于材料的屈服极限，即：

σ动+σ残＞σs

如果残余应力下降后，作用应力与残余应力之和小于屈服极限时，则构件保持稳定的应力状态。因此振动处理到一定周次后，如果不提高作用应力的量值，则继续处理将不再起作用。 三、残余应力与作用应力关系的实验研究： 实验1：对薄板试件（SAE1070, 7.6X1.9X0.13cm）进行喷丸处理后,施加交变弯曲应力，使残余应力发生变化。其结果如表24所示。残余应力是用X射线法测定的。试样２是喷丸处理的，试样３-６是喷丸后又施加了交变应力。经高应力交变处理时，残余应力有明显的下降。作用应力低则残余应力变化小甚至不变化。图25是根据这些结果表示的交变应力作用下残余平均应力的变化规律。从图中可见，当处于弹性极限直线所包围的内部状态时（例如试件３），即使有应力交变作用，平均应力也不变化。而试样４-６在交变应力作用下，平均应力都将向弹性极限直线移动，这些都是在压应力状态下应力的变化情况。即使在拉应力状态下，也仍然是如此，如图中B点，在交变拉应力作用下向C点移动；在A点时，平均应力就不发生变化。这些都和图23所反映的规律是一样的，即作用应力和残余应力之和必须大于材料的屈服极限时，平均应力才能下降。

表24 用振动消除薄板试样的残余应力

试样No

试验后的应力(7Mpa)

应力范围(7Mpa)

作用应力(7Mpa)

周次

1

-23

0

0

(初始状态)

2

-51

0

0

(喷丸处理)

3

-51

35

-86 -16

27000

4

-41

70

-121+19

27000

5

-37

85

-126+44

100

6

-34

85

-122+48

27000

为尽量明确作用应力与残余应力的关系，实验2:如图26用板梁的振动处理结果来说明，用一普通钢制成的长1200cm，宽120cm，厚16cm的板梁，在其上表面堆焊出两条焊道，测其残余应力为150Mpa左右。将板梁一端固定成悬臂状，并在另一端激振，由应变片1测其动应力为80Mpa。

表26 板梁残余应力值

点 号

1

2

3

振前应力值

150

150

150

振后应力值

76.5

82.5

140.5

消除应力值

73.5

67.5

9.6

消除比例（%）

49

44.9

6.4

经30分钟的振动处理后，再次测图中梁上三点的残余应力，其变化见表26。不难看出同上面一样的结果：动应力越大消除应力的效果越好，而消除应力的最必要的条件 就是:作用应力与残余应力之和必须大于材料的屈服极限.即:

σ动+σ残＞σs

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