熱時效工藝效果評估與意義

熱時效工藝效果評估與意義消除殘余應(yīng)力的熱時效過程就是把工件加熱到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，并保持有一定時間，使工件的殘余應(yīng)力得到松弛，然后極為緩慢的降低溫度，使工件在冷卻之后處于低應(yīng)力狀態(tài)。這一具體過程是在熱時效處理爐中進行的。熱時效過程一種高成本、高排放、高污染的時效工藝，而且操作過程中對工藝的把握要求很高。保溫時間或升降速度等多種因素在工件中產(chǎn)生多種殘余應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象，造成工件在后續(xù)的加工過程中的開裂傾向性增大，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)降低，增加制造、售后服務(wù)成本等多方面弊端。一、熱時效與殘余應(yīng)力影響熱時效效果有以下幾個方面的因素：溫度2.保溫時間3.升溫時間4.降溫時間5.熱時效爐的溫差6.工件在爐中的放置與支承。工件在機械加工中產(chǎn)生的能量以彈性能儲存在工件內(nèi)部形成應(yīng)力，或者在熱時效過程熱能以熱應(yīng)力的形式也儲存在工件內(nèi)部，這些應(yīng)力的存在嚴(yán)重的威脅工件的機械性能，嚴(yán)重時造成工件的開裂與失效。因此，當(dāng)前機械行業(yè)中的一個重要需求就是在不降低工件的機械性能的前提下，充分消除工件的殘余應(yīng)力，在這樣的背景下，殘余應(yīng)力消除的量化評估對于整個機械行業(yè)來說有著重要的意義。二、熱時效工藝效果量化評估意義對工件或成品中的殘余應(yīng)力進行量化評估，最突出的表現(xiàn)在于它不僅可以實現(xiàn)提升產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)省生產(chǎn)成本的目的，而且還能夠滿足熱處理行業(yè)中迫切需要的節(jié)能減排的社會要求。此外，從技術(shù)的角度來看，殘余應(yīng)力的量化評估為機械行業(yè)的發(fā)展提供了一種新的檢測與評定手段。1、建立熱時效工藝的殘余應(yīng)力消除量化標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)內(nèi)的一種需要在多年生產(chǎn)實踐中，殘余應(yīng)力的重視程度一直不是很高。只有當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變形或開裂的時候，才會對加工工藝及事故現(xiàn)象進行分析，最終多采取加入或調(diào)整熱時效工序的方式，而忽視了該工藝對殘余應(yīng)力的作用效果。這種輕視殘余應(yīng)力檢測工作的生產(chǎn)方式成了一定程度上人力、物力、財力的浪費，是過去粗放式生產(chǎn)方式的延續(xù)，而且，對于殘余應(yīng)力的消除程度，缺乏一個可把握性的量化標(biāo)準(zhǔn)，因此，對于殘余應(yīng)力進行檢測并建立在熱時效實踐基礎(chǔ)上的殘余應(yīng)力消除量化標(biāo)準(zhǔn)可避免產(chǎn)品失效事故的發(fā)生，并對于機械行業(yè)的生產(chǎn)起著積極的預(yù)防和指導(dǎo)作用。熱時效工藝中殘余應(yīng)力消除效果的量化標(biāo)準(zhǔn)對于不同產(chǎn)品的生產(chǎn)和研制中，殘余應(yīng)力是一個重要的考慮因素。對于產(chǎn)品經(jīng)過熱時效后，殘余應(yīng)力是怎樣的分布，以及通過什么樣的量化標(biāo)準(zhǔn)來衡量新品的時效工藝效果都是殘余應(yīng)力消除量化標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容。就國內(nèi)而言這些工作做的很少，原因在于殘余應(yīng)力的研究不僅需要專業(yè)的團隊來完成，而且還需要先進可靠的檢測設(shè)備。熱時效工藝條件苛刻，如溫度高低，時間長短，溫度速率等很多因素，都會影響處理后的工件殘余應(yīng)力的消除效果，如果操作不好，就無法達到技術(shù)要求，造成工件存在變形、開裂隱患。例如，在熱時效工藝要求中，爐內(nèi)溫度差不大于±25°C,升溫速度不大于50°C/小時，降溫速度不大于20C/小時。保溫時間也不易過長。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得多，構(gòu)件各部分的溫差劇增會造成附加溫度應(yīng)力。輕者造成時效效果下降或零件變形，重者如果附加應(yīng)力與構(gòu)件本身的殘余應(yīng)力疊加超過強度極限，就會造成構(gòu)件開裂。熱時效降溫不當(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。這些都會增加熱時效生產(chǎn)成本、時間成本，制造、售后服務(wù)成本，造成時間和能源浪費等不利于生產(chǎn)的弊端。因此，為了增強熱時效工藝的可控性，可以從殘余應(yīng)力檢測這個角度入手，做出對整個熱時效工藝前后，產(chǎn)品的殘余應(yīng)力的檢測與評估，保證熱時效效果的有效性，減少不必要的成本投入和資源浪費。在熱時效爐中，工件裝爐位置消除殘余應(yīng)力的不一致性。如表1所示，對于產(chǎn)品在熱時效爐內(nèi)各個位置進行熱時效過程的效果是不一樣的，爐內(nèi)中部的應(yīng)力消除能力高于其他的部位。這種熱時效爐內(nèi)消除殘余應(yīng)力的不均勻性現(xiàn)象也需要一個熱時效效果的量化標(biāo)準(zhǔn)。表1工件在熱時效爐內(nèi)不同位置消除參與應(yīng)力的結(jié)果殘余應(yīng)力大?。∕Pa）爐內(nèi) 殘余應(yīng)力下降率（%）序號 時效前 時效后位置 010203040102平均11 丄Ht后端10.47.96.66.236.721.429.12中端10.47.95.11.651.279.665.43前端10.47.99.18.112.6-2.45.1熱時效工藝次數(shù)、工序合理性評估。在生產(chǎn)實踐中，熱時效工藝要進行多次安排，或者在不同工序也要按照行業(yè)內(nèi)規(guī)定的流程進行多次進行，所以，對于每一次的熱時效工藝以及每一道工序進行的合理性就需要一個量化的標(biāo)準(zhǔn)，而通過對殘余應(yīng)力的消除量化標(biāo)準(zhǔn)就可以對工藝的次數(shù)和工序進行一個客觀合理的評估。

三、殘余應(yīng)力的檢測現(xiàn)有的殘余應(yīng)力測量方法主要包括有機械法與無損檢測兩大類：機械法對試件具有一定程度的破壞，通過應(yīng)力釋放的方式可以測得殘余應(yīng)力，主要包括盲孔法、剝層法、取條法、切槽法等；無損檢測的方法為可以保證試件的完整性，包括激光干涉法、云紋分析法、X射線衍射法、中子衍射法、磁應(yīng)力法和超聲法等。在眾多的殘余應(yīng)力檢測中，X射線衍射法通過測量晶格間距變化求出應(yīng)力大小，該方法原理成熟，可重復(fù)測量、測試精度高、無損于試件等優(yōu)點，為目前最先進、無損、可靠，切實可行的殘余應(yīng)力測定方法，在殘余應(yīng)力無損檢測領(lǐng)域具有公認(rèn)的權(quán)威性，有助于進行工藝實施前后的效果驗證；X射線對試件表面照射，在晶格某一晶面上發(fā)生衍射如圖3。X射線的波長入、衍射晶面間距d和衍射角20之間，整個衍射過程遵從著名的布拉格定律：2dsin0二n久.（1）根據(jù)廣義胡克定律：O=KXM（2）其中：K為應(yīng)力常數(shù)，K=■E 兀- cot0（1+卩） 01800（3）M由實驗測定，M=a（20）（4）d（sin2屮）在上述公式的基礎(chǔ)上，K值是一個常數(shù)，只要得到20-sin^P之間的關(guān)系就可以得到M值，從來由式（2）計算出我們需要的應(yīng)力值。在具體的檢測過程中，經(jīng)過特殊的計算機軟件程序進行計算，就可以得到在某一平面上的各個方向上的殘余應(yīng)力值，如圖4所示。uOOO〔OOO_d-o>0IoouOOO〔OOO_d-o>0Ioo。忑dooo-000diffractionpeaksondetectorsSAMPLEChangesinstresscausechangcsinatomiclatticespacing"d"andanangularshiftofthediffractionpeak.圖1X射線衍射測殘余應(yīng)力

四、為什么翔博科技可以實施量化評估翔博科技檢測中心擁有固體力學(xué)、材料力學(xué)、無損檢測、機械制造、控制工程等專業(yè)的博士后、博士、碩士研究人員20余名，檢測中心憑借專業(yè)的技術(shù)服務(wù)、先進的設(shè)備，保證快速、準(zhǔn)確地進行殘余應(yīng)力檢測和分析，進而提供殘余應(yīng)力水平評價，包括殘余應(yīng)力與尺寸穩(wěn)定性評價、應(yīng)力腐蝕趨勢評價、結(jié)構(gòu)強度評價、與疲勞壽命評價等，在殘余應(yīng)力檢測方面取得過突出的成績，具體見表1。表1項目/優(yōu)勢翔博科技擁有最先進的設(shè)備與專業(yè)服務(wù)團隊現(xiàn)場服務(wù)多臺國際最先進的X射線衍射法殘余應(yīng)力分析儀，包括加拿大PROTO的iXRD和芬蘭AST的Xstress3000,設(shè)備小巧輕便，可適用于現(xiàn)場測量設(shè)備優(yōu)勢具有多套射線靶材和①軸自動旋轉(zhuǎn)功能，可靈活、精確測量同一點各個方向殘余應(yīng)力，實現(xiàn)數(shù)字化檢測專業(yè)團隊擁有多名掌握無損檢測技術(shù)的專業(yè)研究人員，且擁有殘余應(yīng)力與變形控制整體解決方案的專家團隊技術(shù)開發(fā)通過多點、多方向測量，可繪制工件應(yīng)力分布的完整云圖服務(wù)方式既可對小件提供來件檢測服務(wù)，又可對大型工件提供上門服務(wù)下面以環(huán)類工件（如圖3所示）為例，經(jīng)過熱時效處理后，對工件中的殘余應(yīng)力進行仿真模擬,得到該工件的應(yīng)力云圖，如圖4所示。熱時效前后殘余應(yīng)力對比發(fā)生了明顯的變化。時效前（如圖4左圖所示）在該環(huán)工件的一些局部（如箭頭所指A,B處），出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力值高達400MPa以上。時效后（如圖4右圖所示），對應(yīng)于熱時效前的應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力值降到壓應(yīng)力lOOMPa以內(nèi)。

圖3工件實物圖B圖3工件實物圖B圖4熱時效前后殘余應(yīng)力云圖為了證實熱時效處理后工件殘余應(yīng)力的這種變化，翔博科技應(yīng)用研究中心運用自己的XRD應(yīng)力儀對該工件熱時效前后的殘余應(yīng)力進行檢測，如表3所示。由此表可以看出時效后的工件中殘余應(yīng)力不僅得到了極大的降低，而且工件中殘余應(yīng)力均化程度明顯。表2各檢測位置熱時效前后殘余應(yīng)力點