振動時效與殘余應(yīng)力

1、振動時效與殘余應(yīng)力振動時效是我國上世紀(jì)八十年代從國外引進的一種殘余應(yīng)力消 除技術(shù)，名詞譯自英語 Vibrating Stress Relief ，即振動應(yīng)力消除。從力 學(xué)機理上分析， 振動時效消除殘余應(yīng)力的原理是， 使工件發(fā)生共振或 接近共振， 其殘余應(yīng)力疊加振動應(yīng)力大于材料的屈服極限， 這樣振動 時由于材料進入塑性區(qū)引起工件上應(yīng)力重新分布， 從而達到消除殘余 應(yīng)力的目的。鄭州機械研究所應(yīng)力測試技術(shù)中心， 作為國內(nèi)機械行業(yè)最權(quán)威的 應(yīng)力測試單位， 做了大量的振動時效應(yīng)力消除試驗， 得出以下幾點結(jié) 論。1、對于低水平殘余應(yīng)力工件振動時效效果不理想對于低水平殘余應(yīng)力工件， 比如沒有大應(yīng)力集中的鑄件

2、， 由于振 動時效時材料大部分沒有進入塑性區(qū)， 而在彈性范圍內(nèi)， 無論應(yīng)力如 何變化，最終都恢復(fù)原始狀態(tài)， 不會消除殘余應(yīng)力， 與理論分析相符。2、殘余應(yīng)力消除效果沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)大振動時效標(biāo)準(zhǔn) JB/T 5926-2005 振動時效效果評定方法規(guī)定， 焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力消除應(yīng)達 30以上。實際測量表明，這是一種誤 區(qū)，比如，我們對一個 16Mn 焊接構(gòu)件進行振動時效應(yīng)力消除效果測試。振動時效前，測得焊縫附近最大殘余應(yīng)力 500 MPa ，振動時效 后測得 300 MPa 。廠家非常高興，認為效果非常好，消除達 40%， 遠遠大于振動時效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。然而， 16Mn 的屈服極限是 300

3、MPa 左右，如果認為材料是理想塑性的， 16Mn 焊接構(gòu)件上的殘余應(yīng) 力都不會大于 300 MPa ，與振動時效后的測量值一樣。其實，振動 時效前測得的 500 MPa 是按殘余應(yīng)力彈性理論計算公式計算出來 的，而材料進入塑性區(qū)時，其實際殘余應(yīng)力肯定小于 500 MPa 。如 果按理想塑性計算，殘余應(yīng)力沒有下降，當(dāng)然這是極端情況，意在說 明振動時效的殘余應(yīng)力消除效果不能以彈性理論計算的結(jié)果為依據(jù)。 根據(jù)大量試驗結(jié)果，我們認為，對于焊接構(gòu)件，振動時效的殘余應(yīng)力 消除效果應(yīng)在 15% 左右。3、振動時效對消除構(gòu)件的塑性應(yīng)變效果非常好 上述例子也說明，雖然振動時效消除殘余應(yīng)力的效果達不到 40%

4、，但塑性釋放應(yīng)變確實下降了 40%，所以振動時效對消除構(gòu)件 的塑性應(yīng)變效果非常好。大量試驗證明，對于焊接構(gòu)件，振動時效的 塑性應(yīng)變消除效果達 40% 左右，甚至達 50% 以上。塑性應(yīng)變涉及到 構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性，所以經(jīng)過振動時效的構(gòu)件，尺寸穩(wěn)定性特別好， 即以后放置或再加工時構(gòu)件不再變形。綜上所述，振動時效最適合于對殘余應(yīng)力要求不嚴(yán)但對尺寸穩(wěn)定 性要求較高的焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力消除。 畢竟與熱時效相比， 振動時 效非常節(jié)約能源，不需要建大的退火爐，大大節(jié)省了經(jīng)費。所以對殘 余應(yīng)力要求不嚴(yán)的工件， 能用振動時效處理的盡量用振動時效。 必須 指出，振動時效不適合于對殘余應(yīng)力要求較高的壓力容器的殘余應(yīng)力 消除。作者，趙懷普，西安交通大學(xué)力學(xué)系畢業(yè)，近三十來，長期從事 實驗應(yīng)力分析和有限元模擬計算工作， 曾創(chuàng)新性地采用實驗力學(xué)與計 算力學(xué)相結(jié)合的方法， 提出了新的三維殘余應(yīng)力測量方法， 其論文在 國際期刊 Strain 上發(fā)表。在科研成果中，成功地把環(huán)芯法殘