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。
钢岔管振动时效消除焊接残余应力技术
激振 器 刚性连接在构件 上 ， 产 生激振 力 ， 带动 构件 产 生
振动的设备 。
Ａ位 置 ： 一 阶共 振 加 速 度 峰 值 已从 振 前 ５ ４ ． ７ ｍ ／ ｓ 升 高 到 振后 ６ ７ ． ０ ｍ ／ ｓ ； 一 阶 共 振 频 率 由振 前 ６ ８ ８ ５ ｒ ｐ ｍ 左 移 至
（ 高） ， 岔 管最 大设 计 水 头 ４ ２ １ ｍ（ 不含水锤水头 ） 。岔 管 焊 接 后
焊缝处 的焊接残余应 力大 、 焊接 残余应 力复 杂 ， 而焊接 残余应 力是造成焊缝变形 、 降低焊缝疲劳寿命及焊缝冷裂 纹产生 的主
要 因素 。
１ ． ２ 振 动 时 效 消 应 方 法 介 绍
１ 研 究 背 景 １ ． １ 木 星 土 水 电站 岔 管 概 况
木 星土水 电站钢 岔管材料选用 Ｒ ｍＩ ＞６ ０ ０ Ｎ ／ ｍ ｍ 级容器用
高 强 钢 ＷＤ Ｂ ６ ２ ０ ， 岔管板 厚 为 ５ ０ ｍ ｍ， 月牙 肋板 厚 为 １ ０ ０ ｍｍ。
岔管 的最大 外 形 尺 寸 为 ４ ． ６ ｍ（ 长 ）×５ ． ２ ｍ（ 宽 ）×３ ． ７ ｒ ｎ
振动时效消 除焊接残 余应 力的方 法是 指通过 振动 源对岔 管施加周期性的作用力 ， 在振 动过程中施加 到岔管各部 分的动 应力与岔管 内部残余应力叠加 ， 当叠加幅值大于金属 构件的屈 服极限时 ， 焊缝 的点晶格 发生滑移 ， 产生微小 的塑性变形 ， 焊缝
宏 观内应力随之松弛 ， 使焊接 残余应 力 的峰值下 降 ， 释放 和均
表１ 振 动 时 效 系 统 各 组 件 作 用
名 称 作 用
从 振 动 时效 工 艺 处 理 记 录 表 分 析 可 知 ： １ ） 第一次时效处理的振前 、 振 后 Ａ—ｎ曲 线对 比分 析 可 以
振动时效与残余应力
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
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
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-振动时效
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。
振动时效对铝合金箱体残余应力的影响研究
余应力ꎮ
３ 试验过程
(１) 铝合金箱体是某机电复合传动系统的重要
组成部分ꎬ 其重要尺寸主要包括内径 ϕ４０６Ｈ６ｍｍ、
ϕ１６２Ｈ６ｍｍ、 ϕ３２４ｈ７ｍｍ 和同轴度 ϕ０ ０４ｍｍꎬ 尺寸精
度较高ꎮ 该铝合金箱体使用材料为 ＺＬ１０１Ａ － ＳＢ －
Ｔ６ꎬ 其材料特性见表 １ꎮ 由于机加过 程 中 会产 生
１ 振动时效
振动时效技术又称 “ 振动消除应力法” ꎬ 是通
过振动时效装置的控制系统控制激振器的转速和
偏心作用在零件上产生离心力ꎬ 引起共振 ( 谐振)
加的代数和 不 能 引起 任 何 部 位 的 塑 性 形 变 为 止ꎬ
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ꎮ
２ 应力检测方法
反应ꎬ 让零件 产 生 特 定 幅 度 和 周 期 的 交 变 运 动ꎬ
热时效相比ꎬ 振 动 时 效 同 样 可 以 降 低 残 余 应 力ꎬ
的零件处于一种不稳定的状态ꎬ 其内部组织具有
强烈的恢 复到 没有 残 余 应 力 的 稳 定 状 态 的 倾 向ꎮ
在这一过程中ꎬ 零件的形状逐渐改变 ( 如弯曲变
而 且 绿 色 环 保ꎬ 残 余 应 力 通 常 可 以 降 低 ３０％ ~
成本较低ꎬ 故应用其进行铝合金箱体的残余应力
ｐ＝
检测ꎮ
ｑ＝
盲孔法测量最早是由 Ｊ Ｍａｔｈａｒ 在 １９３４ 年提出
的ꎬ 后由 Ｓｏｅｔｅ 发展完善而形成系统理论ꎮ 其基本
原理是在具有残余应力的零件表面上钻一个盲孔ꎬ
使得该盲孔的邻近区域内由于部分残余应力释放
而产生相应的位移和应变ꎬ 采用粘贴应变片 ( 见
振动时效项目演示
三、振动时效工艺简介
振动时效项目演示
（一）一般振动时效过程
一般包括准备工作、振前工件内应 力的测量、振动时效处理、振后工件内 应力的测量、数据统计分析和结论等过 程。
振动时效项目演示
1、准备工作
工件支撑、激振器装卡、加速度传感 器装卡；
振动时效项目演示
2、振前工件内应力的测量
在工件上选5个以上点粘贴应变片利 用盲孔法测量工件在振动时效处理前不 同部位的内应力大小和分布。
振动时效项目演示
3、振动时效处理
振动时效处理过程一般包括参数输入、振前扫频、振 动时效处理、振后扫频和分析五个过程，振动如果没有 达到时效效果还要进行补振，直至达到时效效果。 （1）参数输入：输入扫频参数（如扫频范围、扫频电流 或功率）、振动时效工艺参数（频率、电流、时间）、 工作模式（手动或自动）等； （2）振前扫频：振前加速度-频率曲线（即a-f曲线）扫 频和保存，位移振幅-频率曲线（即A-f曲线）同步计算和 保存，通过扫频确定工件的共振频率f0以及高次谐振频率 f1,f2,f3等，扫频过程要求在6分钟内完成；
在这种工艺中所有的工艺过程互相都是独 立的。例如设定扫频就仅进行扫频，扫频后并 不自动进入振动时效过程；设定振动就仅进行 振动，振动后就停止，而不会自动进行振动后 自动扫频等。
振动时效项目演示
因为实际生产中往往每天都是在对 同一种工件进行处理，既批量处理，第 一次确定了工艺参数如激振器安装位置、 传感器测量位置、振动的电流、共振频 率和处理时间等参数后，第2次处理时完 全可采用同样的工艺处理，此时参数变 化不大，也没有必要对每个工件都进行 繁琐的振前、振后测量，这样可以大大 缩短批量振动时效处理工件的时间。
振动时效项目演示
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振动时效与残余应力
振动时效是我国上世纪八十年代从国外引进的一种残余应力消除技术,名词译自英语Vｉｂrａｔing StresｓＲelief，即振动应力消除。
从力学机理上分析，振动时效消除残余应力的原理是,使工件发生共振或接近共振，其残余应力叠加振动应力大于材料的屈服极限,这样振动时由于材料进入塑性区引起工件上应力重新分布,从而达到消除残余应力的目的。
郑州机械研究所应力测试技术中心，作为国内机械行业最权威的应力测试单位，做了大量的振动时效应力消除试验,得出以下几点结论。
1、对于低水平残余应力工件振动时效效果不理想
对于低水平残余应力工件,比如没有大应力集中的铸件，由于振动时效时材料大部分没有进入塑性区，而在弹性范围内,无论应力如何变化，最终都恢复原始状态,不会消除残余应力,与理论分析相符。
2、残余应力消除效果没有标准规定的指标大
振动时效标准JB/Ｔ5926-200５《振动时效效果评定方法》规定，焊接构件残余应力消除应达30％以上。
实际测量表明，这是一种误区,比如，我们对一个1６Mｎ焊接构件进行振动时效应力消除效果测试。
振动时效前,测得焊缝附近最大残余应力５００MＰa,振
动时效后测得３00 ＭPa。
厂家非常高兴，认为效果非常好,消除达40％,远远大于振动时效标准规定的指标。
然而,１6Mn的屈服极限是3０0 ＭPa左右，如果认为材料是理想塑性的，16Ｍn焊接构件上的残余应力都不会大于3０0 MPa,与振动时效后的测量值一样。
其实，振动时效前测得的500MPａ是按残余应力弹性理论计算公式计算出来的，而材料进入塑性区时，其实际残余应力肯定小于500 MPa。
如果按理想塑性计算,残余应力没有下降,当然这是极端情况，意在说明振动时效的残余应力消除效果不能以弹性理论计算的结果为依据。
根据大量试验结果,我们认为,对于焊接构件,振动时效的残余应力消除效果应在1５％左右。
３、振动时效对消除构件的塑性应变效果非常好
上述例子也说明，虽然振动时效消除残余应力的效果达不到40%，但塑性释放应变确实下降了40%,所以振动时效对消除构件的塑性应变效果非常好。
大量试验证明，对于焊接构件，振动时效的塑性应变消除效果达４0%左右,甚至达5０%以上。
塑性应变涉及到构件尺寸的稳定性,所以经过振动时效的构件，尺寸稳定性特别好，即以后放置或再加工时构件不再变形。
综上所述,振动时效最适合于对残余应力要求不严但对尺寸稳定性要求较高的焊接构件的残余应力消除。
毕竟与热时效相比,振动时效非常节约能源，不需要建大的退火炉,大大节省了经费。
所以对残
余应力要求不严的工件,能用振动时效处理的尽量用振动时效。
必须指出,振动时效不适合于对残余应力要求较高的压力容器的残余应力消除。
作者，赵怀普,西安交通大学力学系毕业,近三十来,长期从事实验应力分析和有限元模拟计算工作，曾创新性地采用实验力学与计算力学相结合的方法，提出了新的三维残余应力测量方法,其论文在国际期刊《Strａｉｎ》上发表。
在科研成果中，成功地把环芯法残余应力测量方法引进到我国重机行业中,因此获黑龙江省科技进步一等奖。