振动时效与残余应力

振动时效原理振动时效特点振动时效工艺技术振动时效技术是对工件施加变化的循环载荷来消除和减少内部残余应力。

该技术具有耗能少、效果显著、无污染、处理快速等优点，广泛应用于消除焊接件、重型工件的残余应力。

 振动时效原理 振动时效是用激振设备在构件残余应力集中处施加等幅交变循环激振力，构件在共振状态下获得较大的激振动应力，在某个方向上的合应力超过材料的屈服极限，该处会产生屈服变形，引起残余应力松弛并释放出来，使残余应力均匀分布。

这种方法不仅能有效地降低峰值残余应力，而且能使整体残余应力值下降。

下图为金属材料受等幅交变应变εB-εC作用时的应力应变曲线，图中OA为弹性载荷段，构件的初始残余应力为σA，ACB是第一次发生屈服变形后的应力应变曲线。

构件内的总应力超过屈服点而发生变形，在C处残余应力沿弹性卸载荷线CB'下降，经过D点后曲线偏离CB'至B点，完成一次交变应变循环。

经过多次交变循环后，曲线循环稳定为C'E'B”EC'，此时残余应力由σA减小至σE，残余应力减小至稳定的过程就是振动时效宏观机理的直观表示。

要消除或减小工件中的残余应力，必须满足以下条件： (1)构件内部残余应力与激振器施加的激振动应力叠加后的总应力应超过材料屈服极限。

即σ残+σ动σs，其中：σ残为构件内部残余应力，σ动为激振动应力，σs为材料的屈服极限。

(2)随着振动时效时间的增长，构件内部的残余应力会由于发生塑性屈服而下降。

当残余应力降低到与振动应力叠加后等于新的屈服极限时，构件内的将达到平衡，使构件尺寸稳定性得到提高。

振动时效与残余应力随着机械设备的不断发展，精度和工作效率越来越高，因此在机械运动过程中，残余应力对于机械设备的稳定性和寿命有着重要的影响。

而振动时效也成为进一步提高机械设备精度和寿命的关键点之一。

本文将探讨振动时效及其对残余应力的影响。

残余应力残余应力是指材料在加工或制造过程中受到的不可避免的应力，它存在于各种金属、合金和非金属材料中。

残余应力对工件的稳定性、疲劳寿命和结构性质有着重要的影响。

在机械加工和装配过程中，存在很多可能导致残余应力的因素，如加工切削、热处理、装配、焊接等。

这些因素会改变材料的结构和性质，进而导致残余应力的产生。

而这些残余应力，会在机械设备的使用过程中逐渐释放，进而对设备稳定性和寿命产生影响。

振动时效振动时效是利用设备在加速的过程中产生的振动作用于材料上，使其得到一定的时效作用的加工方法。

它是通过机械设备在生产和使用过程中产生的振动来改善机械设备的性能和寿命。

在振动时效工艺中，加速振动的方式有很多，如震动台、振动机、激振器等。

通过振动，可以使材料内部结构得到有序排列，进而改善材料的性能，提高材料的硬度、强度和韧性等，从而进一步提高设备的性能和使用寿命。

振动时效对残余应力的影响振动时效在改善材料性能和提高机械设备寿命的过程中，也能够降低或消除残余应力。

一般来说，振动时效对保留在材料内部的残余应力具有很好的消除作用。

在振动时效的过程中，通过振动作用迫使残余应力得到释放和消除。

因为震动可以激励材料内部的分子和晶粒发生微小协调的位移，振动的作用会迫使残余应力重新分布，使其按照自然变化规律逐渐消失，从而达到消除残余应力的目的。

振动时效精辟的消除残余应力不仅会带来机械设备性能的提高和寿命的延长，更重要的是提高机械设备的工作效率，减少机械设备经常维护的时间和成本。

在机械设备制造、使用和维护过程中，残余应力是一个不可避免的问题，它会影响机械设备的稳定性和寿命。

为了降低和消除残余应力，振动时效成为了重要的方法之一。

振动时效原理分析及在大型环框类零件上的应用
振动时效原理分析及在大型环框类零件上的应用
金属工件在成型过程中,均有可能形成残余应力.在许多情况下,残余应力的存在会对工件的机械性能产生极为不利的影响.本文从振动时效的机理入手,得出消除残余应力的本质途径是给金属原子以足够的能量,使其振动加剧回到平衡位置,从而实现品格畸变的减少;另外振动时效可以使那些处于弹性应力状态的部分实现塑性屈服,从而减少金属的弹性应变量,进而达到减少残余应力的目的.文章还从新一代运载火箭实际工程应用中验证了振动时效的有效性.
作者：刘晓霏 Liu Xiaofei 作者单位：首都航天机械公司刊名：航天制造技术英文刊名：AEROSPACE MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2008 ""(6) 分类号：V4 关键词：振动时效位错机理残余应力。

振动时效去除高温合金件内部残余应力的方法及其应用一、振动时效原理及优点振动时效的本质是利用高温合金细晶化时的微小位移效应，在受约束条件下引起晶界的剪切滑动，对高温合金件内部残余应力进行去除。

相比于传统的时效处理方法，振动时效具有以下优点：1、取样数少：振动时效需要的样品数量很少，一般1-2个即可进行。

2、时间短：传统的时效处理需要经过长时间高温处理，而振动时效只需要12~72小时的短时间处理，从而节省了大量的时间。

3、去除残余应力效果好：振动时效可以有效去除高温合金件内部的残余应力。

4、不影响材料性能：振动时效不会对高温合金件的组织结构和性能产生负面影响。

二、振动时效方法振动时效主要分为两种方法：机械振动时效和电磁振动时效。

1、机械振动时效方法机械振动时效方法通常采用压缩机或其他机械设备对高温合金件施加机械振动，在高温下进行处理。

在振动过程中，高温合金件内部的晶粒会随着振动而微小位移，从而引起晶界的剪切滑动，进而达到去除内部残余应力的目的。

2、电磁振动时效方法电磁振动时效方法采用一定的电磁场作用于高温合金件内部进行处理，从而实现去除内部残余应力。

电磁场可以产生交变的电场和磁场，使高温合金件内部的离子、分子和原子发生运动和碰撞，进而达到去除残余应力的目的。

三、应用范围振动时效可以用于高温合金件的制造和加工过程中。

在制造过程中，振动时效可以有效地去除残余应力，提高高温合金件的使用寿命。

在加工过程中，振动时效也可用于去除材料加工后的残余应力，从而提高加工精度和质量。

总之，振动时效是一种简单、快捷、高效、低成本的方法，已经在高温合金领域得到了广泛应用。

残余应力的产生金属构件（铸件.锻件.焊接件）在冷热加工过程中产生残余应力，高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度.降低疲劳极限.造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。

因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。

一.残余应力的产生1.铸造应力的产生（1）热应力铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁.筋板部分较薄，其横向端面如图一所示。

铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩的小。

薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。

因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。

这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力，随塑性变形而消失。

铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。

铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。

但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。

应力方向发生了变化。

这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。

这个应力是由于各部分薄厚不同。

冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。

(2)相变应力常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积膨胀，薄壁部分阻碍其膨张，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力，薄辟部分受拉应力。

厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。

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剩余应力的存在必然会导致工件变形、开裂，严重影响了工件的尺寸稳定性，降低工件的疲劳寿命。

传统的时效处理方法是自然时效和热时效。

但自然时效消费周期长、积压资金、占用场地；热时效又受退火温度、升降温时间速度、时效炉的温差等各种因素的影响，且投资宏大。

随着科技的开展，对时效果求越来越高。

振动时效由于时效效果好、对工件的尺寸稳定性强、经济实用、投资少、节能显著等特点，逐渐取代传统的自然时效和热时效，越来越广泛的应用于理论中。

三种时效工艺效果比照图项目自然时效热时效振动时效应力消除率10%左右30—80%30—60%尺寸稳定性好较差较好时效本钱占场地、占资金150—300元/吨10元/吨时效周期一般半年以上20—60小时一小时内环境保护无污染污染较严重无污染抗变形才能较好比时效前降低较好时效变形量可忽略不计较大可忽略不计工件适应性几乎任何工件受尺寸、材质限制几乎任何工件工序安排须在精加工前须在精加工前任何工序之间振动时效源自于敲击时效。

通过专用设备使工件在固有频率下产生共振，使周期性的动应力与剩余应力叠加，使工件部分产生塑性变形而释放应力。

从而降低和均化工件内部的剩余应力，使工件尺寸精度到达稳定。

产品简介：一.BN-I 神州系列频谱振动时效系统1.全国独有的频谱谐波式剩余应力消除系统，兼具低/高频时效，亚共振时效于一体。

2.全自动科学的动态跟踪功能，科学合理扫描工件的共振谐波峰值，并给出断定方案。

3.自动选择适宜的谐波振动频率、并进展自动频率分析，合理安排时效加工时间，使剩余应力的消除和均化更彻底，时效效果更明显。