（机械制造及其自动化专业论文）高频振动时效消除焊接残余应力的仿真及实验研究.pdf

浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 abs t ract thi s d i s se 州 刁 i i o n i s c o m pose d b 哪d onthe p roject ofn atio nai n a 加 r a 1 s c i encef oun d at i o n o f c h in 扮r 砚 记 别 rc h o n m e c h an isman d re la 朗l e c 仙 川 吃y ofm u l t i一 im ensio n a l ， h igh触q u e n c y， m i c ro sc opi c v i ewed劝腼t l onst ress r e l i e f ( v s r ) ” 困0 .5 0 3 0 5 0 3 6) ，顶th e w 即o f bothth eoreti c a l s l n l u l at i on and e x pen m en tal 咖d y ，the e ffecto f 祀 d uci n g th e wel d in g re s i d ua 魏 ssby hi gh 触q u enc yv s rh as 比 en d e e p l yre 哭 峨h ed. thi sd i s se rt at i on c o 幻 i sts of 五 ve c hapte乃as fol l o w i ng i n c h a pt erl ， th e 加c k 岁 o u n d ands i gni fi can 沈oft he介 与 e ar c hw 眼 i n tr 阅u c ed. then the c u r r e n l 沱 se arch s ih 旧 t i o n s o f re s l d u a 】 s t r es s and v s rl e c hno 1 0 爵加山ath o m e and a b r o a d w . 5 口 m m 颐此d . m e anwhi l e ， t h e t e c hno l o gyofh o wtot es l 拍 s i d u a l s 比s s w e res pec i fi c 目 fyi n t r 冈u c e d . fi n ally， the 斤 田 1 1 e w o r k ofc onlen tsan d r e ， 当 ” hi ngm e 功 以 jsw e r e p r a pos ed. i n c h apterz ， t h e th e o n esofw e l d i n g re s i d ual 幻 r e s s and 池p r oces s o f n um州cal s i m u l at i on w 晚 r 已 记 班 c h ed. f i rstl y， th e m ec h ani s man d d i 而b u l i ono f w e l d i n g r es i d ual 引 比 es s w asin l r odu c ed. then. th e fi n i tee l e m e ntm 司e l s for th e therma l fi e ! d an d th e re lati o n ofe l as t i c p i 次 就 i c ， tr e s s 一 s t l a i n inthe p 找 兄 es s of讹l d i n g w e r e l h e o r e l i c a l l y ana l y z e 氏and th e 司c u l ationm eth时of山 e n ” a 】 6 e l d and 心i d ual ， re s s fi e l d w asd e d u c e da t l 理 ” ， th e n um幼c s i m u l ationofwel d i ng卿i d ua】 匕 e s s 妙 usin g f e mso ft w are a n s y s w asac h i ev ed， an d th e d i sttib ut i ono f w e l d i n g resi d u al 引 洲 岛 s w asg o l the邝 s u i tso f ana l y s i s i n d i c at e th att h em axi m u mte n s i l ere s i d 回 s tr es s i s int h e如i on z o n e ; more ove r， fo i 1 o w i n g th e i n c re ase o f th e d i s tanceawayfromth e wei d ， th 亡 s t r es s l l lr n s l n 仍th e 印m p r e ss i ve s 灯 es s an dw i l hl h ed i s l a l l “in creas i ng fromth ew e l 氏the 切 m p r e s slve s tr e s s i s bec o m in g sma l l 既 inc h a pter 3 ， t h e m e c h ani s mo f h i gh 加q u en cy v s rand itsn u m 晰c 目s i m u l at i o n w ete stud i ed. fi rs t l yre gul arv s ra n dh i gh freq u ency v s rw e 沈朋a l y 沈d加m阮 v i ew o f m etal 七 “ 5 说ra i n m e c han i s mand m esome c b ani c 民and 丘 o m汕i c h the m ec h an i cse x p r e s s i o n s o f th e 鱿 r es s i n v s rw 峨 。 b l a i n e d ， th ent h e re gul arv s rand h i gh 加q uen c y v s rw e r e c o n tr as l e d t o sho wth d r d l 们 七 r e n c e . f i n a l l y，t h es i m u l at i o nm 冈e l o f v s rw as“ 祖b l i shed 田 记i tsn umeric al s imu l at i on w asi m p l e m e n t e d by f e mso fi w are a n s y s ， fo l l o w 山 9 ， the o u l c o m e o f l h 已 犯巾 臼 。 枷d s ofv s rwas ana l y ze dc omp ar a t j 此 1 丫the 1 匕。 f the s i m u l a t i on i n d i c 幽 th ath i gh 批q u encyv s rh asa b ette r e ffec t ， e s pe c i a l ly i n th e peakv al uear e a o f w e ld j o in ts ， onre l i evi n g resi d ual sl r es s th anre gul arv s r . f u rtherm o re ， th e h o m o ge n i za t i onco叻i t i o n ofre s i d ual s t r “ 5 15 加“ 盯byus 访 g h i ghfreq u e n c y v s r th anre gul arv s r . i n c h a p l e r 4 ， a se 朽 e s o f expe ri m entsa bou 它 为 i gb freq u encyv sr w e r e 如 edo ut a t fi rsi. the m e as u 咖 e n t te c h n i q u eo fb l i n dh o lem et h od w as i n 仃 odu c e d . t 七 e nth ee xpe ri m e n tof re l e as i n g re s i d ual s t r e s s o f w e l d e ds pe c i m ens byv s rd e v i c e w a s test ed. we an a ly z e d th e t es t p rocess an dre su l t ss y stem at i c al l yandc omp are th ee ffec tso f v s rbet w ee nd 元 fferent d ri v e 欣q u enc i e sthee x peri m e n 园 o u 比 o m ein d i c at e dth efe 韶 i b i l i tyof 份 拙i n g引 r es s勿 h i gh 阮q u encyv s r ， an d l h e h i ghert h e d ri v e freq u e n cyi s ， t h e h i ghe r th e d e p l et i o n r a 妞ofre s i d ual s tr e s s i s . i n c h apte r s ， a l l ac h i e v e m ent s o f th e d i s s e rt at i onw e res u m m 耐zed and th e fo rther肥 se arch work.w h i chw i 刃 l b e d o n e fr o mn o won， w asp u t fo ma rd . 儿州o r d s 二 w e d i ngre s id u a l st r e s s ， h ig h freq u e n cy v s r ( v i b r atorys tres s re l i e o ， m e c h ani sm， s i mu l a t l on， fi n i t e e l e m e n t m e t h od。 b l i n d h o e m et h o d 学号 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果. 据我所知， 除了文中 特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 逝 经 叁 生或 其 它 教 育 机 构 的 学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:签字日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本 人 完 全 了 解 逝扭 叁全 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有 权 保 留 并 向 国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权 逝 三 叁 生可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 可 以 采 用影印、 缩印或其它复制手段保存、 汇编学位论文.( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 学位论文作者签名:导师签名: 签字日期:年月日签字日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章 绪论 1 . 1残余应力的研究发展概况 l l i残余应力的定义与分类 通常把没有外力或外力矩作用而在物体内部依然存在并自 身保持平衡的应 力叫做内 应力。 所有工程材料及其构件， 在其成形、 热处理、 机械加工以 及装配 等工艺过程中， 都不同程度地产生残余应力。 严格地讲， 完全没有内应力的固体 并不存在。 1925年格。 马辛、 muza t 、 达维金科夫h.h 分别提出了残余应力的界定方法， 现在国内 外学者普遍认同1 9 73年德国学者e. m 动erau ch提出的 分类方法11 ， 该方 法把材料中的内应力分为如下三类。 第1 类残余应力即宏观残余应力( m acro re s id 喇 s l r e s s)， 它在材料较大范围 或许多晶粒范围内 存在并保持平衡， 在多个连续晶体范围内 保持常数， 它的大小、 方向和性质可用通常的物理或机械方法进行测量。 如果第一类残余应力所产生的 力或力矩的平衡状态遭到破坏， 将导致构件宏观尺寸的变化。 本文主要研究这种 宏观残余应力，以 后若不作特别说明， 所谓残余应力均指宏观残余应力。 第n 类残余应力称为微观结构应力 ( s t ru c tu r alm ic ro s l r e s s).它存在于晶粒 尺度内( 一个或少数几个晶粒范围内) 并保持平衡， 在一个或几个晶粒的部分范 围内保持均匀。它出 现在不同相材料或不同物理性质材料间，或出 现在夹杂物、 复合材料基体间。 如果第二类残余应力平衡状态得到改变， 也会造成宏观尺寸变 化。 第m类残余应力称为晶内 亚结构应力 ( s ubs t nj c tu ral s t r e s s)。它是在晶粒若 干个原子范围内 存在并在晶粒一小部分内 保持平衡， 在晶体亚结构范围内大小不 均匀。第三类残余应力平衡状态的 破坏，不会引起构件宏观尺寸变化。 这三 类残 余 应力的 叠加决 定了 材料内 某一点 残余 应力总 值 121 。 马 赫劳 赫关于 内 应力的定义与 达维金科夫的分类方法相比， 物理概念清楚， 并明 确了各类内 应 力之间的关系。 特别是将晶粒大小作为最重要的描述内 应力影响区域的材料特征 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 尺寸， 使得内 应力与材料的组织结构有了更为紧密的联系。 从而有利于人们对内 应力及其对材料性能影响的认识。 在大多数情况下， 宏观残余应力与微观残余应力总是同时存在的， 产生第一 类残余应力的加工过程必然伴随第二、 第三类残余应力的产生。 如对金属构件进 行应力消除时，主要是为了降低宏观 ( 第一类) 残余应力，同时也可减少第二、 第三类残余应力， 但要彻底消除第二、 第三类残余应力则是不大可能的. 宏观残 余应力往往起着与工作载荷产生的工作应力同样的作用， 工程设计中必须考虑宏 观残余应力的影响. 而在研究材料的微观结构性能时， 必须考虑第二、 第三类残 余应力，它们是材料产生损伤、位错的重要指标。 l 1 2残余应力的产生1习 ( 1) 不均匀塑性变形产生的残余应力 任何引起非均匀分布的弹塑性变形都会引起材料内相邻部分应变不协调， 从 而产生的一类残余应力。 所产生的残余应力性质与大小取决于工程结构的几何形 状、 加工处理过程等因素。 这是构件在加工过程中 最容易出 现的残余应力， 在很 多加工工艺中均会出现， 如塑性成型、 冷拔、滚压、冷挤压、 表面喷丸等。当施 加外载荷时， 构件一部分区域进入塑性状态; 卸载后，由于塑性变形的不可恢复 性，塑性变形部分限制了相邻部分变形的恢复，因而产生了 残余应力。 ( 2) 热作用产生的残余应力 构件在加热和冷却过程中， 由于物体几何形状复杂不对称等因素， 构件各部 分的热传导状态不同， 从而构件所产生的塑性变形也是不均匀的。 热作用产生的 不均匀塑性变形， 会产生第一类残余应力。 同时热处理过程中各种金相组织的比 容不同， 它们之间就会出 现相对的形变， 从而产生第二类残余应力。 即使金属材 料热处理时内 外相变均匀， 只要材料各部分相变存在就 会导致残余应力。 淬火、 回火、热轧、锻造等热加工工艺均会出现残余应力。 (3 )化学变化产生的残余应力 这种残余应力是由 于构件表面向内 部扩展的化学和物理化学的变化而产生 的。 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .1 3焊接残余应力概述 焊接残余应力和变形， 一直吸引着世界范围内 焊接专家、 学者的注意力， 通 过多年的研究，到2 0 世纪70年代初期大致莫定了焊接残余应力和变形理论的基 础. 例如 前苏 联 学 者 库兹 米 诺 夫 c l14 等 完 善了 建 立 在 一 维 条 件 下 的 残 余塑 性 变 形理论， 认为焊接加热过程中 焊缝和近缝区内因其膨胀受制而产生的塑性压缩应 变是导致焊接残余 应力产生的 主要原因。 增渊兴 一 ， 习 用有关 非 协调性应变引 起 应力的基本理论研究 焊接残余应力和变形。 随后的主要研究都集中 在焊接残余应 力 测 试、 计 算 和消 除 等 方面 【， ， 81 。 据 传 统 观点 对 消 除 焊 接 残 余 应 力 常 用 方 法的 原 理 进 行 描 述 时 存 在 互 相 矛 盾 之 处 1191 ， 文 献 20 为 避 免 混 淆 ， 建 议 引 入“ 固 有 应 变” 概念。 而文献 211 通过多年的 研究分析认识到焊缝金属冷却时的收缩受制也是导 致焊接残余应力产生的重要原因。 焊接 残余 应力为 热 产生的 残余应 力， 同时叠 加 上相变应力 ( 由 显 微组织转变 引 起的 残余 应力 ) 。 在焊 接过程中， 焊 接区域以 远高 于周围 区 域的 速 度被急剧加 热并局部熔化。 焊接区域材料受热而膨胀， 热膨胀受到周围较冷区域的约束， 造 成热应力。 由于受热区域温度升高后屈服极限下降， 热应力可部分地超过屈服极 限，产生了塑性变形。冷却后该区域相对缩短，因 此该区域呈现拉伸残余应力， 而周围区域出 现压缩残余应力。 冷却过程中显微组织的转变( 奥氏体 一铁素体转 变) 会引起体积增加。 如果这种情况发生在较低的 温度，由 于此时材料的屈服极 限较高，则会导致焊接区域产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。 可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况: 构件组后冷却的区 域以 热 应力 为主时 ， 呈 现拉应力; 而以 相变应力为 主时， 呈现压 应力 131 . 1 。 1 .4残余应力的测试与评估 目 前传统残余应力的测量方法主要分为两大类。 机械法。 有取条法、 切槽 法、 剥层法、 盲孔法等。 机械法测量残余应力需释放应力， 这就需要对工件局部 分离或者分割， 从而会对工件造成一定的 损伤或者破坏， 但机械法理论完善， 技 术成熟， 目 前在现场测试中广泛应用， 其中 尤以浅盲 孔法的破坏性最小。 物理 检测法。主要有x 射线法、超声法和磁性法。 这些方法均属无损检测法，对工件 浙江大学硕兰 遭 位鱼冬 一一 不会造成破坏。 ( d 盲孔法 假定物体表面存在残余应力， 此应力处于平面应力状态， 在该平面某点上钻 一个小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力重新分布。若在钻孔之前， 在该点贴上三向应变计， 如图1 . 1 所示， 钻孔之后， 应变计便感受到应力释放产生 的应变， 通过测量应变计的应变， 并进行相应的计算， 便可求得该点的两个主应 力il 。 由 于该方法易于现场操作、工件创伤面积小、精度较高以及设备较便宜， 祥洋 图1 . 1 钻孔 法示意图 因此在工程上测量表面残余应力常采用此法。 郑州机械研究所生产的z d l 一 n型盲 孔法测量装置是目 前国内市场上较成熟的产品。 盲孔法测量残余应力也可以 采用光弹覆膜法。 光弹覆膜法严格说属于一种光 学方法， 它是应用光学中的偏光性进行应力测定的， 覆膜材料采用酚醛系或醇酸 系 树 脂。 光 弹 法 测 量 残 余 应力， 应变 测 定 范 围 大， 测定 精 度高 151 。 (2 )射线衍射法 l) x 射线衍射法 x 射线衍射法检测残余应力的依据是根据弹性力学及x 射线晶体学理论。对 于理想的多晶体， 在无应力的状态下， 不同 方位的同族晶面间距是相等的， 而当 受到一定的表面残余应力叮时， 不同晶粒的同族晶面间距随晶面方位及应力的大 小发生有规律的变化，从而使x 射线衍射谱线发生位偏移，根据位偏移的大小可 以 计算出 残余 应力( 如图1 . 2 所示) ， 沪 为 试 样表 面法线与 所 选晶 面 法线的 夹角; 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 凡 为 样 品 表 面 法 线 与 衍 射 晶 面 法 线 为 尹 时 的 衍 射 角 ，几 为 入 射 线 与 表 面 法 线 间 的 夹角;刀 为入 射 线( 衍射 线 ) 与晶 面法线的 夹角 16 。 表面法线( 入射线) 图1 ，zx 射线衍射原理图 采用x 射线衍射法测量残余应力准确、可靠，特别当 应力在小范围内急剧变 化时最有效。 此方法可测量出 绝对残余应力， 还分别测算出 轴向、 切向 和径向上 的 残余应力， 是确 定陶瓷 残余 应力 及弯曲 面 和球面 最 常 用的 方法 17， 川 。 x 射线衍射法需要价格昂贵的x 射线衍射仪。目 前国内外厂商生产的x 射线衍 射仪的 产品很多， 如芬兰s t r e s ste c h 公司生产的s t r e s s 3 0 00便携式x 射线应力分 析仪。 2) 中子射线衍射法 中子射线衍射法以中子流为入射束， 照射试样，当晶面符合布拉格条件时， 产生衍射， 得到衍射峰并通过研究衍射束的峰值位置和强度， 可获得应力或应变 及结构的数据。 该方法的原理与普通x 射线衍射方法类。 主要差别在于x 射线是由 电子壳层散射的，而中子射线是由原子核散射的，中子的穿透深度比 x 射线大的 多， 对于钢可达5 0 丽， 可用来测量钢的焊接结构沿层深的残余应力。 为了获取高 分 辨 率， 需 要高 强 度中 子 束， 因 此， 只 有反 应 堆或 中 子 加 速度 器 才能 满 足要 求 191 。 ( 3) 超声波法 超声应力测量是建立在声弹性理论基础上， 利用受应力材料中的声双折射现 象。 当没有应力作用时， 超声波在各向同性的弹性体内传播速度与有应力作用时 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 传播速 度不同， 利用超声波波 速与 应力 之间的 关系来 测量残 余 应力 ” 刃 。 超声 波 法测量残余应力的特点，首先是无损测定构件的表面应力和内 部应力( 包括载荷 作用应力和残余应力) ，测量的应力为沿超声波传播路径的平均值。 超声波法作为一种常用的检测方法， 有较大的探测深度， 使用的材料也较多， 可以 简单、 快速、 准确的检测到残余应力，己 经在检测螺栓、 焊接、 管道等缺陷 中得到广泛的应用。 但是， 超声波波速的变化十分微小， 且测量也不容易， 而且 材料的各向 异性以 及组织结构差别 对测量结果也有一定的影响。 目 前， 超声波检 测残余应力的 应用程度还远不及x 射线测量， 但是相对于其他检测手段所独有的 优势， 使这 种方法随 着技术的 进步 而日 益完善11 ，l 2 。 (4 )扫描电子声显微镜111 ， 扫描电子声显微镜( s e a m ) 是将扫描电子显微镜和声学技术结合而研制成的 技术。 该技术基于热波成像原理， 当一束周期性强度调制的电子束经聚焦入射于 试样时，试样表面受到局部的周期加热，激发出热波， 利用热波在试样中的传播 对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像， 这些宏观量的微小变化是由 于试样 的局部晶格结构的改变而引起的， 因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的 微观热性质或热弹性质的差异， 可用于残余应力的定征， 由 此得到的电子声图象 显示了在金属中由 韦氏 硬度压痕引 起的残余应力的横向分布， 并且利用扫描电子 声显微镜独特的分层成像能力， 揭示了 残余应力的深度分布状况， 使测定残余应 力三维分布成为可能。 扫描电子声显微镜(s ea娜的穿透能力较强， 适合对不透明材料中的残余应力 进行无损测定。 (5 )激光超声检测法11 习 人们对用p zt换能器、e 毗t 探头和声显微镜等技术测量表面波声速来评估其 近表面的 应力分布， 做了 大量研究。 结果表明， 可以用测得的材料自 由表面上传 播的表面波声速的大小变化来评估其残余应力的分布。 但应力所引起的声速相对 变化很小， 检测难度很大。 激光超声是最近发展起来的无损检测技术， 其显著优 点是非接触、 高的空间和时间分辨率， 容实现高精度测量， 己 被成功用来表征材 料的表面特性。 激光超声法的原理是用nd:yag( 钦忆铝石馏石)脉冲激光激发声表面波， 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 并用外差激光千涉仪接收。 并通过测得的表面波声速在不同位置上的相对变化来 反映材料的残余应力分布。 对无残余应力、 有压缩残余应力、 有拉伸残余应力的 三个试样应力分布， 进行了实验测定。 结果证实了 试样的残余应力分布可引发声 表面波在不同 位置 上声速的 相对变化， 也证实了 激光激发声表面波及其接收技术 是一种无损检测材料内 残余应力分布的有效方法。 根据199 8 年英国皇家实验中心( n p k ) 所作的统计调查表明，目 前国际上应 用最为广泛的残余应力测试技术依次为钻孔法 ( 30%) 、 x 射线衍射法 (20 %) 、 中子射线衍射法 ( 19%)、剥层法 ( 16%)， 其他方法 ( 磁性法、超声波法等) 占9 %。 1 . 2残余应力调整与消除方法概述 所谓残余应力的调整，是指利用各种手段来改变工件中的残余应力分布状 态， 使不利的分布状态变成有利的分布状态; 而所谓残余应力的消除， 则是指采 取各种方法来降 低或消除存在于工件中的残余应力。 最常用的是热作用法和机械 作用方法t561。 ( 1) 热作用法 热作用法就是通常的退火法， 或者是通常的回火法。 回火处理是通过加热调 整组织使二、 三类内 应力得到松弛或调整的方法。 退火是通过加热促使金属在内 应力的驱动下蠕变使第一类残余应力同时消除或调整的方法。 加热消除残余应力 可以用各种各样的方法， 一般的退火是在一定温度下作长时间保温， 此法虽需要 较高的操作费用， 但可以 把残余应力完全消除. 这种方法也有不利的方面， 这就 是在6 0 0 以 上对钢进行退火时， 有脱碳或表面氧化， 并进而使构件软化等一些 有害的缺点。 (2)机械作用法 机械的方法是利用外力使材料内 产生塑性变形来达到降低残余应力的目 的。 理论上讲， 只要外力使 性质均匀的构件整体同时达到屈服， 全部消除残余应力是 可能的。 但实际上由 于种种困难， 用这种方 法想把应力完全消除是难以 实现的。 在某些场合下， 它往往是把残余应力降低和重新分布作为主要目的。 相对热作用 法， 机械法不会是强度性能下降， 并且不需要炉子之类的热处理设备， 从实用的 角度上看是经济的。 机械对残余应力的调整， 主要包括表面滚压、 表面喷丸、 校 7 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 正等:机械法对残余应力的消除主要包括局部塑性变形法、振动消除法等。 1 . 3振动时效技术的国内外研究发展概况 1 3 )振动时效技术的发展历史 用振动的方法消除金属构件的残余应力技术来源于通过锤击可以消除金属 工件残余应力的实践， 其理论创始人是美国 著名物理学家 j .w.s t la tt ， 于1 9 06年在 美国取得专利. 但由于人们长期使用热时效， 加上对振动时效的机理不明确及高 速电机尚未出现而造成设备沉重、 调节不便等原因， 使该技术一直未能得到发展 和应用。 直到20世纪50年代初， 在能源紧缺的情况下， 美国、 英国、日 本、日 本、 联邦德国等国才又开始加强振动时效机理和工艺的研究。 特别是70年代由于可调 高速电机的出现， 推动了振动时效消除残余应力装置的发展: 1 9 7 3 年英国 制成手 提式v s r 系统v c m80，后来美国马丁工程公司也研制出比较先进的设备 l t-i o o r 型 v s r 系统。 法国和前苏联也分别生产出p s v 型 和 n b 型v s r 系统。 这些 比 较先进的 激振装置， 促进了 振动时 效技术的发展和应用网。 1 3 2振动时效技术国外研究现状 在20世纪50年代前后， 随着现代科学技术的发展， 振动理论、 测试技术和激 振设备都得到迅速发展。 从而发现， 在工件的共振频率下进行振动， 可以 缩短振 动处理时间， 消除应力和稳定精度的效果更好， 能源消耗也最少。 这期间德国出 现了世界最早的振动设备。 这种新型的振动时效工艺和设备的出现， 立即受到欧 美工业国家的高 度重视，并被迅速应用到生产实践中。 俄国 学者a d oyan做了 一 个关于灰铸铁的试验，结果表明: 应力减小量在振动一开始的时候比较大， 后来 即 使再进行几个小时的处理也没有明显的变化123。 70年代w ozney ，g. p . 和 c rawmer ，gr .研究指出 要减小 残余 应力， 加载的 动应力与残余应力的叠加必须大 于 材料的屈 服极限 l2 。 80 年代， d a w so n， r 和 m o fat，d. g .利 用一 个模拟振 动时 效 装 置进行研究， 结果表明: 应力的消除是由材料的塑性变形引起的， 为了达到消应 力的目 的 ， 材料 周期 应变 幅 应 达到 一 定的 闺 值125 。 90年 代， w al k er，c a. 等建 立 了 位错运动的振动时效数学模型， 并运用x 射线衍射等技术对模型进行检测。 结 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 果 表 明 振 动能 使 冷 轧 铸 钢残 余 应 力的 峰 值降 低 40% 左 右 1261。 m unsi 产 念m .y等设 计了 扭转振动试验， 观测到扭转振动后圆筒焊缝处残余应力的重新分布及下降状 况 12 月 . m unsi 产s. m .y等 进行了 热 时 效 (t s r)和振 动时 效 伴s r) 后 工 件 疲劳 寿 命 的 对比 试验， 结果表明 热时效后工件疲劳寿命下降了 43%， 而振动时效后工件疲 劳寿命则增加了 17% 30% 128。二十一 世纪， 在测量、 传感、网 络技术的 推动 下， v s r 技 术 得到了 迅速推 广和应用。 li ndgr en ， m . 和l episto， t . 利 用巴 克 豪 森 效应和x 射线衍射法发现轴向焊接钢管振动时效后在焊缝区有不均匀的应力下 降. s un， mc 等人在对轮船轴机加工之前 进行振动时效， 在轴的 六个不同位置安 放六个弹性应变片来测量残余应力， 结果表明振动时效可以 减小残余应力达48 %左右。 大量事实证明， 对于那些无需改变组织状态、 非加工硬化材料， 振动时 效技 术完 全 可以 取 代热时 效 12 0jo 以上是振动时效在理论上比较先进的研究， 而在现实中振动时效也被广泛应 用于各行各业。在短短的50年里，振动时效技术得到了迅速的推广和方展。20 世纪50年代初美国某应力消除公司就己拥有350 台振动设备，进行过5 0 00多项振 动时效处理而未曾失败过， 经振动时效的工件， 尺寸变形减少了一半以 上， 而成 本仅为热时效的10%， 美国在1 9 8 3 年采用v s r 技术的就有7 00多家。目 前英、 美、 俄、 德等国都普遍采用了振动时效， 他们几乎所有机械厂都配备了振动时效装置， 尤其是起重机械厂的大件和基础零件全部采用了振动时效， 俄罗斯和东欧一些国 家也 大量 使 用， 都取 得了明 显的 经 济 效 益 【22. 由 于振动时效技术产生的可观经济效益， 其应用范围也不断扩大。 现在发达 的欧美国家均以不同程度的运用到航空、 海洋、 机床、 钻探、 纺织、 化工、 汽车、 石油等各种锻、 铸、 焊金属构件的处理中。 美、 英等国 在其他工业部门 也大量采 用振动时 效技术， 如造纸机械厂、 船舶 轴承厂、 激光焊机厂、 齿轮箱制造厂、 纺 织机械厂、 轧钢设备厂、 印 刷机械厂、 采油设备厂、 锅炉厂、 发电 厂等等都用振 动时效来消除构件的应力。 许多国 家都己 将振动时效技术定位某些机械构件必须 采用的标准工艺130 1 。 1 3 3振动时效技术国内研究现状 在我国， 北京机床研究所于1 9 74年开始研究v s r 工艺，1 9 79年我国第一台 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 v s r 装置投放市场。“ 六五” 期间v s r 被列为我国 3 8 项重点攻关任务子项“ 提高 机床铸件质量的 研究”内 容之中，由 北京机床研究 所负责进行工艺实用性研究， 极大的 推动了 v s r 技术在我国的发展。 大连理工大学房德罄等提出了 用动态参数 的变化作为工艺监测的标准， 给出了确定激振参数的基本原则。 后来还多次实验 证明， 振动时 效 后工件的材料性能 和疲劳 寿命都 有所提高 脚 。 19 91年振动时效 技术被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目。“ 七五” 期间我国在v s r 工艺上的 研究日 趋成熟， 并发布了 v s r 工艺的国 家标准(j b 厅 5 9 2 6 一 9 1) 。“ 八五” 以 来， 国内学者逐渐对振动时效的机理展开研究。 上海工程技术大学焦馥杰用位 错理论阐述了振动时效减少残余应力的程度与金属中位错密度变化有关1321。由 于在节能、环保、高效等方面的出色表现，2 0 01年国家经贸委又将新一代v s r 设备的研制列为国 家级重点技术创新项目 ;同 年国家经贸委立项支持v s r 标准 制、 修订工作; 同时中国机械工业联合会发布文件， 正式将振动时效技术纳入机 床制造标准， 接着将把振动时效技术修订到铸、 锻、 焊基础件以及各制造业制造 标准中， 这极大地推动了v s r 技术的发展与应用。 天津市轻工装备研究所曲和平 介绍了 如何用单片 机对振动时 效过程 进行实时 控制 133 1 。 陕西国 防工业职业 技术 学院科研处高葛等对振动时效工艺参数的确定进行了理论上的研究。 上海交通大 学饶德林等采用拉一压疲劳实验模拟实际焊接构件的振动时效过程， 根据试验结 果提出了 振动时效过程的循环蠕变机理1341。目 前国内己 有上千家机械制造厂使 用v s r 技术，有数千台v s r 设备运用于航空、冶金、锻压铸造等工业中。 在具体使用方面， 佳木斯电机厂生产的出口电机由于国外厂家的要求， 在电 机壳 体上使用振动时效 工艺， 达到了 设计要求。 大连橡宿机厂为美国 生产的设备 也要求用振动时效来消除应力【30， 在我们身边就有浙江大学机械厂为美国生 产 的不锈钢半导体设备， 美方对机械厂要求所有铸件、 焊接加工件必须进行振动时 效处理，这些都促进了国内振动时效技术的发展和应用。 1 3 .4振动时效技术国内外研究现状评述 从v s r 的理论的提出 到目 前广泛的研究及实际应用的 过程中， 国内外学者及 研究 机构进行了 大量的工作， 然而目 前仍存在不少问 题， 归纳起来有如下几个方 面: 第一， 机理研究不够， 仿真研究较少。 振动时效机理尤其是高频振动时效机 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 理的 研究 还不够完善， 振动 参数的 选择 没有一个可靠的理 论依据。 由 于实际的 振 动时 效过程是一个 非常复 杂的 过程， 涉及到各种参数的 变化以 及材料本身 各种物 理 性能的 变化。 因 此， 用有限 元来模拟振动时效过程是比 较麻 烦的 事情， 受到诸 多方 面因 素的影响， 目 前 在这方面的 研究 相对较少， 尤其是高 频振动时效的仿 真 分析以及基于仿真分析的机理研究.第二，激励频率局限于低频振动范围之内。 目 前现有的激振 器大部分都 是偏心轮机构， 在某种程度 上限 制了 它的 最大转速， 从而导致一般的激振频率都小 于z oohz。 文献 3 51 中提到了 振动技术，有效除去 残余应力及其杂质，但采用的是低频 ( 4 8 h z 和58h z) ，对高频没有任何提及。 第三， 对大型复 杂构件和微 型构件进行振动时效的研究 不多。 前者， 由 于应力分 布太复杂， 体积庞大等原因， 振动时效时造成应力减少 不均匀， 从而时效效果很 差; 后者则因 为现有的激 振器相对于构件体积庞大，从 而影响 激振效果。 第四， 激振方向 局限 于二维以内。 现在大多数试验通常不考虑材料内部残余应力的方 向，激振器安置局限在平面范围之内，很少考虑空间方向。 第五，振动时效的工 艺尚 不成熟。 如残余应力的 评判技 术尚不成熟，目 前使用的评 判方法主要有: 参 数 曲 线 评 定 法、 残余 应力 测 量 法 和 精 度 稳 定 性 检测 法 【和 1， 然 而 他 们 都 存 在自 己 的缺陷， 对振动时效的效果还不能做到省时、 便捷、 实时、 可靠的测评; 激振点、 激振时间、 激振力等参数的选择没有定量化， 对于一些规则的简单的构件，人们 研究比 较多 ， 参数选 择大家都比较 有一 致的看法， 而对于不规则的 研究很少， 很 多都是凭经验。 1 3 5高频振动时效技术的提出 通过查阅国内 外的 相关文献资 料发现， 大部 分研究者对 振动时 效的研究局限 于 低频振动时效的范围内。 然而对 高频振 动时效， 相对研究得 较少。 本课题组 对一 个经焊接后的 钢构件进行v s r 处理， 发现低频 激振 ( 。 5 ， 。 。 为外加动 应力， 。 ， 为材料内部残余 应力， 。 5 为材料的屈服极限。 2 ) 经一定次 数循环后， 即振动一定时间 后残余应力下降， 作用应力与残余应力之和小于屈服极限时， 构件将保持稳定的应力状态， 工件尺 寸稳定性提高。3) 振动一定周次后，若要进一步降低残余应力，则必须加大作 用应力，若不增加作用应力，继续处理将不再起作用。 式。 动 + 。 。 。 5 就是振动消除 残余应力的 激振动应力 条件. 1 1 2振动时效消除残余应力的微观机理研究 由 于位 错的 存在， 破坏了晶体点阵中 原子的规则 排列， 使位错线周围出现应 力和应变场而导 致体系能 量升高。 因为 畸变的晶格原 子具有较高的能量， 因此滑 移在极低的外加 应力下 就能从 缺陷区 开始， 而晶 体的实测屈服强 度就是这种晶体 缺陷 开始运动的 应力. 于是可以认为， 造 成宏观滑移的原因只 不过是原子构成的 微观世界中的 位错运动而己， 或者说塑性 变形 过程实际上是非完 整晶 体中位错的 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 运动和发展的过程。 可见， 位错及其运动对于晶体塑性变形机制的重要意义， 首 先在于位错能在晶体中运动和随位错运动而获得变更原子组态的结果。 位错的存 在和运动， 对塑 性变形、 强度 变化和断裂等 过程 起着决定性作 用， 而且对金属的 扩散、相变等过程也有较大的影响。 如果外加应力与位错塞积群形成的集中应力叠加和大于金属的临界切应力 时， 使位错塞积群得以开通，金属内部将发生微观塑性变形， 残余应力就可以得 以 释放。 通过塑 性变形后， 金属和合金的显 微组织 将产生显著变化， 其性能亦受 到很大影响， 其晶粒内部结构变化分析如下: 亚结构一般是指晶粒内部的位错组 态及其分布特征， 在金属塑性变形的过程中， 晶体中的位错密 度p ( 截面是单位 面积中 位错线的 根数，或单 位体积中位错线的 总长度) 显著 增加， 一般退火的金 属中p 大约是1 0 一10 7 / c m z ， 而经过强烈的 冷塑 性变形后， p 可以 增加到10 ， ， 10 1 2 / cmz ，随 着位错密度的增大， 位错的组 态及分布也发生 变化，由 于位错 运动过程中 的交 割和交互作用， 会产生位错的缠 绕， 使位错的组态变得 错综复 杂， 并且在循环应力的作用下位错的均匀， 晶体内部位错线聚集， 从而形成胞状结构， 胞壁上的位错密度大大高于胞内， 随着形变量的进一步增大， 位错胞的数量增多， 尺寸减小，这样就提高了位错与溶质原子作用的机会。 位错密度的增加及亚结构的变化将使金属发生强烈的加工硬化， 即继续塑性 变形的 抗力增大， 强 度大大提高。 已 有一 些理论来说明 形变过程中由于位 错密 度 交互作用而造 成的 强化作用， 所有理论都认 为流变应力下 与 位错密度p 存在的关 系 (baily 一h irsc h 关 系 ) 是 15 91 : = 几十 op，(3.1) 式中 几 是 形 变 前的 流 变 应 力 ， g 为 切 变 模 量 ， b 是 位 错的 柏氏 矢 量 ， a 为比 例 常 数，大约在。 3至 0. 5 的范围中。 由 金属力学知 识可知，可以 把流变应力 看作以 预变形 金属的临 界切应力【 59 。 临界切应力 在理论上可以看成是在激 活的 滑移系统中 沿着滑移方向作用在位错 线上能使其 起始 滑移所需的最小应力。 位 错滑移一开始就 相当于晶 体开始屈服， 产生塑性变形。 振动时效机理是由 于振动过 程中 金属材料内 部的 位错滑移产生微 观塑 性变形， 使残余 应力得以 释放。 所以我 们可以 得到激振 力条件的微观必要条 件， 以几表 示外加动 应力， : r 表示残余 应力， t. 表示临界 切应力， 振动时效必须 浙 江 大 学 硕 士 学 位 论 文 满足 勺+ 称 几(3 . 2) 如果有某种方法使易动位错滑移， 使余下位错不易滑动， 就可最终减少构件 的自 变形 使尺寸稳定。 位错滑移 通常 首先发生在 应力集中 区， 应力集中 区绝大部 分是 在工件的 微观 缺陷区， 如位错、 空位、晶 界、 夹杂等。 振动时效时， 如果振 动输 入的 活化能足 够大以 至位错塞积开通， 会引 起缺陷区 大量位错滑移。 大量位 错经 滑移后， 一部分 钉扎在杂质上， 另一部分 塞积在晶粒间晶界 旁。 振动应力与 应力集中处的残余应力使其中 一部分位错滑 移穿过晶 界传到与其 邻近的 位向 适 宜的晶 粒内 ， 残