殘余應(yīng)力的產(chǎn)生-振動時效振動時效設(shè)備

1、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生金屬構(gòu)件 （鑄件 .鍛件.焊接件） 在冷熱加工過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力， 高者在屈服極限附近構(gòu)件 中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的有害作用； 如降低構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度 . 降低疲勞極限 .造成應(yīng)力腐 蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛， 使零件產(chǎn)生變形， 大大的影響了構(gòu)件的尺寸精度。因此降 低和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力就十分必要了。一. 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生1. 鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生（1）熱應(yīng)力鑄件各部分的薄厚是不一樣的， 如機(jī)床床身導(dǎo)軌部分很厚， 側(cè)壁. 筋板部分較薄， 其橫向端 面如圖一所示。鑄后，薄壁部分冷卻速度快收縮大，而厚壁部分，冷卻速度慢，收縮的小。薄壁 部分的收縮受到厚壁部分的阻礙，所以薄壁部分受

2、拉力，厚壁部分受壓力。因縱向收縮差大， 因 而產(chǎn)生的拉壓也大。這時鑄件的溫度高，薄厚壁都處于塑性狀態(tài)， 其壓應(yīng)力使厚壁部分變粗， 拉 應(yīng)力使薄壁部分變薄，拉壓應(yīng)力 ，隨塑性變形而消失。鑄件逐漸冷卻，當(dāng)薄壁部分進(jìn)入彈性狀態(tài)而厚壁部分仍處于塑性時，壓應(yīng)力使厚壁部分產(chǎn) 生塑性變形，繼續(xù)變粗，而薄壁部分只是彈性拉長， 這時拉壓應(yīng)力隨厚壁部分變粗而消失。 鑄件 仍繼續(xù)冷卻，當(dāng)薄厚壁部分進(jìn)入彈性區(qū)時， 由于厚壁部分溫度高， 收縮量大。 但薄壁部分阻止厚 壁部分收縮， 故薄壁受壓應(yīng)力， 厚壁受拉應(yīng)力。 應(yīng)力方向發(fā)生了變化。 這種作用一直持續(xù)到室溫， 結(jié)果在常溫下厚壁部分受拉應(yīng)力， 薄壁部分受壓應(yīng)力。 這個應(yīng)

3、力是由于各部分薄厚不同。 冷卻速 度不同，塑性變形不均勻而產(chǎn)生的，叫熱應(yīng)力。在導(dǎo)軌或側(cè)壁的同一個截面內(nèi)，表層與內(nèi)心部，由于冷卻快慢不同，也產(chǎn)生相互平衡拉壓 的應(yīng)力，用類似與上述方法分析，可知在室溫下表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力，并且截面越大， 應(yīng)力越大，此應(yīng)力也叫熱應(yīng)力。（2）相變應(yīng)力常用的鑄鐵含碳量在2.835%，屬于亞共晶鑄鐵，由結(jié)晶 過程可知：厚壁部分在1153C共晶結(jié)晶時，析出共晶石墨，產(chǎn)生體積 膨脹 ，薄壁部分阻礙 其膨張，厚壁部分受壓應(yīng)力，薄 壁部分受拉應(yīng)力，薄辟部分受拉應(yīng)力。厚壁部分因溫度高，降溫速度快，收縮快，所以厚壁逐漸 變?yōu)槭芾瓚?yīng)力。而薄壁與其相反。在共析（738C）前的收縮

4、中，薄厚壁均處于朔形狀態(tài)，應(yīng)力 雖然不段產(chǎn)生？但又不斷被塑性變性所松弛，應(yīng)力并不大。當(dāng)降到738C時，鑄鐵發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，由面心立方，變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu) （既丫 -Fe變?yōu)閍-Fe），比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。 同時有共析石墨析岀，使厚壁部分伸入，產(chǎn)生壓應(yīng)力。上述的兩種應(yīng)力，是在1153C和738C兩次相變而產(chǎn)生的， 叫相變應(yīng)力。 相變應(yīng)力與冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力方向相反 ？ 相變應(yīng)力被熱 應(yīng)力抵消。 在共析轉(zhuǎn)變以后， 不在產(chǎn)生相變些力， 因此鑄件由與薄厚冷卻速度不同所形成的熱應(yīng) 力起去起主要作用。（3）收縮應(yīng)力（亦叫機(jī)械阻礙應(yīng)力）：鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型 .

5、型芯 . 澆冒口等的阻礙作用而產(chǎn)生的應(yīng)力叫收縮應(yīng)力。由 于各部分由塑性到彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變有先有后， 型芯等對收縮的阻力將在鑄件內(nèi)造成不均勻的的塑性 變形，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。收縮應(yīng)力一般不大，多在打箱后消失。（4）殘余應(yīng)力的分類殘余應(yīng)力的分類有許多種，如：a) 按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，有熱應(yīng)力 . 相變應(yīng)力 . 收縮應(yīng)力。詳細(xì)內(nèi)容如上所述。b) 按應(yīng)力方向分有拉應(yīng)力(力的方向向背的應(yīng)力)，壓應(yīng)力(力的方向相同的應(yīng)力)。c) 按影響區(qū)域的大小分有：第一類應(yīng)力， 亦叫宏觀應(yīng)力。 它是存在與整個體積或較大尺寸范圍內(nèi)并保持平衡的應(yīng)力? 如沿機(jī)床床身導(dǎo)軌縱向分布的拉應(yīng)力和沿側(cè)臂分布的壓應(yīng)力等。第二類應(yīng)力，亦叫微觀應(yīng)力。

6、它是存在與一個晶?；驇讉€晶粒內(nèi)， 并保持平衡的應(yīng)力。 例 如：晶粒12345 同處拉應(yīng)力的應(yīng)力場中，應(yīng)力大小為b。從金屬物理可知：各個 晶粒所受的切應(yīng)力與取向因子成正比。 假設(shè)晶粒 1 的取向因子最大， 則晶粒 1 切應(yīng)力最大 ? 若此切應(yīng)力 略大于臨界內(nèi)應(yīng)力，則晶粒 1 產(chǎn)生塑性變性。 其與個晶粒處于彈性狀態(tài)。 當(dāng)應(yīng)力 b 除掉后， 晶 粒 均為回復(fù)到原狀態(tài)，但晶粒 1 產(chǎn)生塑性伸長，不能恢復(fù)到 原狀態(tài)，阻礙 晶 ?；貜?fù)，結(jié)果晶粒 1 受拉應(yīng)力。其余各晶粒受拉應(yīng)力。這種在幾 個晶粒間存在并保持平衡的應(yīng) 力，稱為第二類殘余應(yīng)力。第三類應(yīng)力， 亦叫超微觀應(yīng)力。 它是存在與幾個原子或幾千個原子內(nèi)并

7、保持平衡的應(yīng)力。例如，間隙原子與溶劑原子間存在的應(yīng)力。d) 按應(yīng)力在工件中存在和作用的時間長短可分為：臨時應(yīng)力，所產(chǎn)生應(yīng)力的條件消失后，應(yīng)力也隨之消失。殘余應(yīng)力， 亦叫殘留應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力。 產(chǎn)生應(yīng)力的條件消失后， 應(yīng)力依然存在于工件不同 部 位的應(yīng)力叫殘余應(yīng)力。如熱應(yīng)力 . 相變內(nèi)力 . 收縮應(yīng)力等，都是殘余應(yīng)力。上述分類法，亦適用于焊接件 . 鍛件等。2. 焊接應(yīng)力的產(chǎn)生：焊接中 . 焊縫處溫度迅速升高，體積膨脹。熱影響區(qū)溫度低，阻礙焊縫膨脹，結(jié)果焊縫處產(chǎn)生壓應(yīng)力，熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。熱影響區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。但此時焊縫處于塑性狀態(tài)，焊縫被壓應(yīng)力墩粗，松弛了此應(yīng)力。焊后冷卻后，熱影響區(qū)冷卻速度快，很

8、快進(jìn)入彈性狀態(tài)，焊縫處溫度高，處于塑性狀態(tài)。這 是焊縫收縮，較熱影響區(qū)收縮慢，焊縫阻礙熱影響區(qū)收縮，焊縫仍受壓應(yīng)力，影響區(qū)受拉應(yīng)力。 但焊縫處于塑性狀態(tài)，焊縫的塑性墩粗，松弛了此應(yīng)力。熱影響區(qū)溫度不斷降低，冷卻速度也變慢，當(dāng)焊縫的冷卻速度高于熱影響區(qū)時，焊縫收縮較快，焊縫的收縮受到熱影響區(qū)阻礙，應(yīng)力方向發(fā)生了轉(zhuǎn)變：焊縫受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。當(dāng)焊縫和熱影響區(qū)都進(jìn)入彈性狀態(tài)時，因焊縫溫度高，冷卻速度快，收縮量大，熱影響溫度低，冷卻速度低，收縮量小，焊縫收縮受到熱影響區(qū)阻礙，結(jié)果焊縫受拉應(yīng)力，熱影響區(qū)受壓應(yīng)力。此時沒有塑性變形，這一對壓應(yīng)力，隨著溫度的降低，焊縫收縮受阻礙越來越大，拉應(yīng)力也越來

9、越大，直至室溫，拉應(yīng)力可近似于屈服極限。綜上所述， 鑄造 . 鍛造 . 焊接等都必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 焊件沿焊縫縱向分布著近似于屈服 點(diǎn) 的拉應(yīng)力。而鑄鐵件由于石墨尖端的松弛，殘余應(yīng)力不高，其鑄造應(yīng)力范圍列與表一。 各種鑄鐵件的鑄造應(yīng)力單位： N/mm2鑄鐵種類灰鑄鐵 合金鑄鐵 蠕蟲狀石墨鑄鐵球墨鑄鐵殘余應(yīng)力 52.3106.3127-137.3180二. 時效方法簡介構(gòu)件在冷熱加工過程中，必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此消除殘余應(yīng)力的時效工序就十分必要了。 凡是能降低殘余應(yīng)力，使工件尺寸精度穩(wěn)定的方法都叫"時效 "。時效方法有： 熱時效 . 振動時效 . 自然時效 . 靜態(tài)過載時效

10、. 沖擊時效等。 后兩種方法應(yīng)用少不再講1. 自然時效自然時效是最古老的時效方法。 它是把構(gòu)件露天放置于室外， 經(jīng)過幾個月至幾年的風(fēng)吹 . 日 曬. 雨淋. 和季節(jié)的溫度變化， 給構(gòu)件多次造成反復(fù)的溫度應(yīng)力。 再溫度應(yīng)力形成的過載下， 促使 殘余應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。自然時效降低的殘余應(yīng)力不大， 但對工件尺寸穩(wěn)定性很好， 原因是工件經(jīng)過長時間的放置， 石墨 尖端及其他線缺陷尖端附近產(chǎn)生應(yīng)力集中， 發(fā)生了塑性變形， 松弛了應(yīng)力，同時也強(qiáng)化了這部分 基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗變形能力， 自然時效降低了少量殘余應(yīng)力， 卻提高了構(gòu)件的松弛剛度， 對構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定

11、性較好， 方法簡單 易行，但生產(chǎn)周期長 . 占用場地大，不易管理，不能及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，已逐漸被淘汰。2. 熱時效熱時效是將構(gòu)件由室溫緩慢 .均勻加熱至550C左右，保溫 4-8小時，再嚴(yán)格控制降溫速度至150C以下岀爐。熱時效工藝要求是嚴(yán)格的，如要求爐內(nèi)溫差不大于士25C,升溫速度不大于50C/小時，降溫速度不大于 20C/小時。爐內(nèi)最高溫度不許超過570C，保溫時間也不易過長，如果溫度高于570C，保溫時間過長，會引起石墨化，構(gòu)件強(qiáng)度降低。如果升溫速度過快，構(gòu)件在升溫中薄 壁處升溫速度比厚壁處快的多， 構(gòu)件各部分的溫差急劇增大， 會造成附加溫度應(yīng)力。 如果附加應(yīng) 力與構(gòu)件本身的殘余應(yīng)力

12、疊加超過強(qiáng)度極限，就會造成構(gòu)件開裂。熱時效如果降溫不當(dāng)， 會使時效效果大為降低， 甚至產(chǎn)生與原殘余應(yīng)力相同的溫度應(yīng)力 （二 次應(yīng)力），并殘留在構(gòu)件中，從而破壞了已取得的熱時效效果。降溫速度對消除殘余應(yīng)力的影響降低溫度速度C/小時殘余應(yīng)力消除的百分?jǐn)?shù)（%1306-275040-503050-80注：爐內(nèi)溫度差不大于25 C熱時效存在的問題：1）建窯占地面積大，費(fèi)用高（每立方米1-1.2 萬元）。2）熱時效能耗高，生產(chǎn)成本高。3）熱時效爐內(nèi)溫度不均勻，升降溫速度無法嚴(yán)格控制。熱時效工件在爐內(nèi)不同位置消除應(yīng)力的測試結(jié)果序號工件在爐殘余應(yīng)力的大小 時效后T2( kgf/mm2 )內(nèi)的位置時效前T1T1

13、應(yīng)力消除的百分比（ % ）T2T1(T 2(T 1b 2平均1爐前段10.47.96.66.236.721.429.12爐中部10.47.95.11.651.279.665.43爐門處10.47.99.18.112.6-2.45.1可見：同一爐內(nèi)，熱時效消除應(yīng)力不均勻。4）熱時效勞動強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重，目前大部已被振動時效代替。三. 振動時效振動時效是 "錘擊松弛法 "（敲擊時效） 的發(fā)展?？捎媚惧N .橡皮錘 .紫銅錘等，敲構(gòu)件的合適部位， 可激起構(gòu)件共振。如用拾振器 . 測振儀和光線示波器可記錄下構(gòu)件作自由衰減振動的振型。其衰減振型的解析式為 :X=Ae- acos w t

14、A: 敲擊后的振幅幅值。a: 衰減系數(shù)。w : 構(gòu)件的固有頻率。t: 時間錘擊松弛法是給工件一個沖擊力，擊起工件的響應(yīng)，工件以自己的固有頻率和迅速衰減的 振幅作減幅振動。敲擊后的最初振幅大，在構(gòu)件內(nèi)引起的 "振動力 " 也大。這一振動力 多次反復(fù) 作用，當(dāng)它與殘余應(yīng)力迭加時，在應(yīng)力集中處超過材料的屈服極限，引起局部塑性邊性變形，松弛了應(yīng)力，使應(yīng)力峰值降低。錘擊松弛法， 是敲擊后的 " 大振幅 " 對時效起作用。 于是人們得到啟迪： 為什么用一激振力， 激起構(gòu)件的響應(yīng)， 并在大振幅下持續(xù)振動一定時間， 使工件內(nèi)的 " 振動力 " 與殘余應(yīng)力迭加， 在應(yīng) 力集中處引起塑性變形而松弛