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振动时效消除应力的机理及应用
发布时间: 2020-05-25 11:40:55    浏览次数:38次   作者:振动时效设备

构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程,其内部会产生残余应力,残余应力的存在极大地影响了构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命和机械加工性能,甚至导致产生裂纹和应力腐蚀。

振动时效消除应力的机理及应用

重要的结构都要经过消除应力处理。传统的消除残余应力的时效方法有热时效和自然时效。热时效是将金属放置在加热炉中,经过升温、保温和降温三个过程的温度变化,使金属迅速膨胀和收缩,降低材料的屈服极限,因而残余应力高的地方,就会超出屈服极限,使晶格滑移,产生微小的塑性变形,从而将残余应力释放、降低和均化。热时效需要专用的加热炉,投资大、能耗大、效率低、污染环境、容易产生新的变形和二次应力。

自然时效是将金属长期放置露天,利用昼夜的温差和复杂多样的“环境震荡”,使金属发生缓慢、细微的收缩和膨胀,经长期积累得到释放残余应力的目的。自然时效周期长,效率低,导致成本增加。振动时效原理

目前振动时效法消除构件的残余应力已在国内外得到迅速发展和广泛应用。

国内外大量的应用实例证明,振动对稳定零件的尺寸精度具有良好的作用,然而对于振动时效稳定尺寸精度的机理,迄今为止尚无系统的、满意的解释。

振动时效消除应力的机理及应用

从宏观角度分析,振动时效使零件产生塑性变形,降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力,无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松驰和零件变形中可知,残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松驰和再分布,使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力, 特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低 20%~30%,有时可达 50%~60%。同时也使峰值应力降低,使应力分布均化。除残余应力值外,决定零件尺寸稳定性的另一重要因素是松驰刚性,或零件抗变形能力。有时虽然零件具有较大的残余应力但因其抗变形能力强,而不致造成大的变形,在这一方面,振动时效同样表现出明显的作用。由振动时效的加载试验结果可知,振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件,也高于经热时效处理的零件。 通过振动而使材料得到强化,使零件的尺寸精度达到稳定。


从微观方面分析,振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加应力。 众所周知,工程上采用的材料都不是理想的弹性体,其内部存在着不同类型的微观缺陷。铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨,故而无论是钢、铸铁或其他金属,其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时,施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加,当应力叠加的结果达到一定的数值后在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形,这塑性变形降低了该处残余应力峰值 ,并强化了金属基体。而后,振动又在另一些应力集中较严重的部位上产生同样作用,直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止。此时,振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属的作用。上述解释已由大量的试验加以证明。

振动时效、热时效、自然时效对比

自然时效降低了少量残余应力,却提高了构件的松弛刚度,对弹性体的尺寸稳定性较好,方法简单易行,但生产周期长,占用场地大,不易管理,不能及时发现弹性体内的缺陷,已逐渐被淘汰。

退火处理建窑占地面积大,费用高(1~1.2 万元/m2),能耗高,生产成本高。并且炉内温度不均匀,升降温速度无法严格控制,同一炉内,消除应力也不均匀。劳动强度大,污染严重。

冷处理需要建冷库,投资大,时效周期长(需要反复循环多次),成本高。


振动时效处理的弹性体其残余应力可以被消除20%~80%左右,高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命,降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、机加工等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高弹性体抗变形的能力,稳定弹性体的精度,提高机械质量。同时,由于设备简单易于搬动,可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制,从几十公斤到几十吨的构件都可以使用振动时效技术。在处理过程中,振动时效只需30 min即可进行下道工序。而热时效至少需要一至两天以上的时间,且需要大量的煤油、电、水等能源。因此,相对与热时效来说,振动时效可节省能源90%以上,可节省费用95%以上,特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。