振动时效与残余应力

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 Stress Relief，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/T 5926-2005《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500 MPa，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500 MPa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。