（机械制造及其自动化专业论文）高频激振时效技术及装置的实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 振动时效消除应力技术具有处理速度快捷、节省能源、清洁环保等特点。但由于其机理 没有被完全、认识，判别标准难以确定，在国内至今还没有缛到广泛的应用。因此，振动时效 技术的研究有重要的科研与实用价值。 本论文结合国家自然科学基金资助项目“多维高频微观激振时效机理及相关技术的研 究”( n o 5 0 3 0 5 0 3 6 ) ，采用理论研究与实验相结合的方法，初步探讨了高频激振时敏机理与 时效设备开发。论文共分为六章，主要内容如下： 第一章介绍论文的研究背景和意义；综述了振动时效技术的国内外研究现状，并介绍了 现有研究中存在的一些不足之处：在此基础上提出了论文的研究内容及项目来源。 第二章介绍残余应力的产生机理，通过力学模型说明了残余应力的产生及消除过程，得 出消除残余应力的外界条件：从金属的应力应变机制和细观力学角度对振动消除残余应力机 理进行了分析。详细介绍了振动时效过程中工件残余应力的消除均化过程，并得出了振动时 效动应力必须满足的力学表达式。 第三章介绍稀土超磁致伸缩材料的特性和工作机理；并利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩 效应研制了高频激振器；接着介绍了高频激振器的工作原理、结构设计与散热措施：最后用 a n s y s 有限元软件分析并给出了超磁致伸缩棒上磁场强度的分布情况和激振器在线性区工 作的电流要求。 第四章介绍了稀土超磁致伸缩激振器功放系统的特点；提出了功放系统的整体设计思 路，分别设计了恒流源电路与交流放大电路；对设计好的功放系统进行了实验测试，包括信 噪比、失真度的分析，测试结果表明系统符合设计标准。 第五章利用设计好的高频激振器与功放系统，进行了焊接钢板残余应力消除实验，利用 超声波测残余应力技术对试件进行振前与振后残余应力测试：分析结果初步验证了高频振动 时效技术的有效性。 第六章对论文的研究成果做出总结，并对以后有待进一步研究的工作进行展望。 关键词：高频；振动消除残余应力； 位错；机理；超磁致伸缩材料；超声波：残余应力 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o ns t r e s sr e l i e ft e c h n o l o g yh a ss u c ha d v a n t a g e sa sf o l l o w e d ：f a s td i s p o s i n g ，s a v i n gi n e t t e r g y , c l e a na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i n g y e tt h em e c h a n s r ao fv s rw o sn o t 姒坶i d e r t t i f i o d ， t h ec r i t e r i o no fd i s t i n g n i s hi sh a r dt od e t e r m i n e s ot h i st e c h n o l o g yi s n tu s e dw i d e l yi no u r c o u n t r y t h es t u d yo nv s r i sh i g hv a l u a b l ei ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n df o ri n d u s t r yp u r p o s e t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a _ j r e s e a r c ho nm e c h a n i s mo f t h r e e d i m e n s i o n a l h i g hf r e q u e n c gm i c r o s c o p i cv i e w e dv s r a n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g y ”( n o ，5 0 3 0 5 0 3 6 ) t h em e c h a n i s mo f h i g hf r e q u e n c yv s ra n dt h er & d o nv s rd e v i c e sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb o t hi nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l s t u d y t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s mo f s i xc h a p t e r s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r ei n l r o d u c e d ，t h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o n si na n do u to fo u rc o u n t r yo nv s ra r es u m m a r i z e d ，t h el i m i t a t i o no fs t u d y i n g o nv s ri sa l s oi n t r o d u c e d t h e nt h ec o n t e n mo f t h i sd i s s e r t a t i o n a r ep r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，t h em e c h a n i s mo fv s ri sa n a l y z e di n t h i sp a p e r t h ee s s e n t i a lm e t h o do f r e l i e v i n gr e s i d u a ls t r e s si si n t r o d u c e do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s s p r o d u c i n g a n dr e l i e v i n g f r o mt h ev i e wo fs t r e s s - s t r a i n p r i n c i p l e o ft h em e t a la n d m i c r o - m e c h a n i c s ，t h em e c h a n i s mo f v s ri sa n a l y z e da n dt h ep r o c e s so f s t r e s sr e l i e v i n ga n de v e n d i s t r i b u t i o n t h ee x p r e s s i o no f v s r sd e r n a n do fm i c r o m e c h a n i c si sg i v e na l s o i nc h a p t e r3 t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo fg m ma r ei n t r o d u c e d ，t h ed r i v i n gp r i n c i p l e o fg m mv i b r a t o ri sa n a l y z e d a n dt h e nah n do fg m mv i b r a t o ri sm a n u f a c t u r e du t i l i z i n gt h e e f f e c to f g m m o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r a ld e s i g na n dr a d i a t i n gm e t h o do f g m mv i b r a t o ra r e a l s oi n t r o d u c e d a tl a s tb a s e d0 1 1s o f t w a r ea n s y s ，d i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da n dr e q u e s to f w o r kc u r r e n ta r eg i v e n t h er e s u l ts h o w st h a tt h es t r e n g t ho f m a g n e t i cf i e l di sh o m o g e n e o u si nt h e a r e ao f g m m ，a n dt h eg m mw o r k si nl i n e a rr a n g e i nc h a p t e r4 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg m mv i b r a t o r sp o w e r s u p p l ya r ei n t r o d u c e d ；t h eo v e r a l l d e s i g nm e t h o do f t h ep o w e rs u p p l yi sp u tf o r w a r d ，c o n s t a n t - c u r r e n ts o l l l _ c ec i r c u i ta n da cs o u x c e c i r c u i ta r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l y ；e x p e r i m e n t a lt e s t i n go np o w e rs u p p l ys y s t e mi sa l s oc a r r i e do u t ， i n c l u d i n gs n ra n dd i s t o r t i o nf a c t o rm e a s u r e m e n t t h er e s u l ts h o w st h es y s t e mp e r f o r m a n c e c o i n c i d e sw i t ht h ed e s i g nc r i t e r i o n i nc h a p t e r5 ，as e r i e so fe x p e r i m e n t so nt h ew e l d e ds p e c i m e n sw e r ec a r r i e do u t t h e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e so fs t r e s st e s tb yu l t r a s o n i cs u r f a c ew a v ea r ei n t r o d u c e da n dt h ei n t e m a l r e m a n e n ts t r e s so f w e l d e ds p e c i m e n si sm e a s u r e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yb e f o r ea n da f t e rv i b r a t i o n w e a n a l y z et h et e s tp r o c e s sa n dr e s u l t ss y s t e m a t i c a l l ya n dt h e nm a k ear e s p o n d i n gc o n c l u s i o n i nc h a p t e r6 ，a l la c h i e v e m e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k w h i c hw i l lb ed o n ef r o mn o wo n i sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：v s r 何b r a t o r y $ 1 y e s sr e l i e f ) ；h i g hf r e q u e n c y ；d i s l o c a t i o n ；m e c h a n i s m g m m ( g i a n t m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ) ；u l t r a s o n i c ；r e s i d u a ls t r e s s - i i 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究意义1 1 第一章绪论 经过热加工( 如铸造、锻压、焊接) 和压力加工的金属零件表面和内部会存在残余应力 和残余变形。根据金属物理学 2 j 理论，当金属结构局部存在残余应力时，原子晶格处于不平 衡组织状态( 如碳钢在淬火态的马氏体和等温淬火态的贝氏体) ，这种状态下材料硬度高、 脆性大，切削加工性能差，尺寸精度不稳定，因此。残余应力的存在往往对构件是有害的， 如降低工件强度和疲劳极限、造成脆性断裂、加快构件在腐蚀大气中的腐蚀速度等；分布不 均匀的残余应力会对构件尺寸精度和稳定性产生极为不利的影响p 】。因此消除和均化残余应 力是机械制造工业技术中的一项重要课题。 时效处理是以一定的方法使金属原子晶格吸收能量，从而转化到平衡组织状态( 如碳钢 在高温回火态的索氏体和退火态的珠光体) 。【4 】此时由于存在残余应力的金属局部产生塑性 变形，将残余应力部分释放，弹性范围增大，材料屈服强度和韧性提高，表面硬度降低，切 削性能改善，尺寸精度稳定。传统的时效方法有自然时效和热时效：( 1 ) 自然时效( n s r ) 是将 金属长期放置露天( 一般长达六个月至一年左右) ，利用昼夜的温差和复杂多样的“环境震 荡”，使金属发生缓慢、细微的收缩和膨胀、经长期积累得到释放残余应力的目的。自然时 效周期长，效率低，导致成本增加，仅适应长期单一品种的批量生产，目前应用的较少。( 2 ) 热时效( t s r ) 工艺是目前广泛采用的传统机械加工方法，是将金属放置在加热炉中，经过 升温、保温和降温三个过程的温度变化，使金属迅速膨胀和收缩，降低材料的屈服极限，因 而残余应力高的地方，就会超出屈服极限，使晶格滑移，产生微小的塑性变形，从而将残余 应力释放、降低和均化。p l 热时效需要专用的加熟炉，投资大、能耗大、效率低、污染环境、 容易产生新的变形和二次应力。该工艺广泛应用于几乎所有机械产品生产厂，在中国有几万 家企业每年有数十万吨的机械金属结构件采用t s r ，其所消耗的重油、电、煤气和原煤折 合标准煤为 4 0 - 2 4 0 k g 吨左右，由此可见t s r 工艺耗能已不容忽视，其对环境造成的污染 之大也是有目共瞩的。 6 1 振动时效( v s r ) 是用人为产生的振动使原子晶格吸收机械能，从而减小或均化残余应 力和残余变形，提高零件屈服强度和韧性，降低表面硬度和减小尺寸变形的时效处理方法。 与机械制造业传统应用的热时效或自然时效相比，振动时效具有一系列优点，因此近十几年 来它的应用无论在国内国外都有很大发展。【7 】嘲在我国，振动时效技术在七五”和“八五” 期间被列入国家重点新技术推广项目之一，已经有许多机械制造企业将振动时效应用于铸 造、锻压、焊接零部件的时效工艺中，代替了原来的热时效或自然时效工艺。采用的振动时 效装置已达到几千台。在一些发达国家，振动时效已成为机械制造的标准工艺。有资料说， 英国已经没有不应用振动时效技术的机械制造公司。 9 1 浙江大学硕士学位论文 振动时效的主要优点包括：( 1 ) 与自然时效相比，振动时效能够大大缩短处理时间节 约了零件堆放场地，而且由于能人为地改变处理过程的参数，处理过程灵活方便，效果( 例 如铸件尺寸精度的稳定性) 也更好。( 2 ) 与热时效相比，振动时效能够大大降低处理过程中 消耗的能量( 有资料表明可节能9 6 以上) ，同时提高残余应力的消除率( 有对比资料表明 热时效平均为3 8 ，而振动时效平均达4 8 5 ) 。此外，可以避免热时效过程引起的零件表 面氧化或微观裂纹，也减小了对周围环境的热污染。因此，振动时效确实是一种用于机械制 造企业的工艺效果好、时效处理效率高、节能和保护环境的具有经济效益的技术。 1 2 国内外研究现状分析 1 。2 1 国外研究现状 早在二十世纪初，人们就注意到振动能消除金属构件中的残余应力，美国最早的专利出 现在1 9 1 4 年。到二十世纪5 0 年代中期，一种叫做振动时效装置的机器开始投放到市场上。 由于当时全球范围的能源紧缺，人们开始试图采用振动时效方法代替所有的残余应力消除技 术。但真正有效的对振动时效技术的测试是在6 0 年代由b u h l e r 、p f a l z g r a f 以及z e i g 完成， 他们在总结了振动时效技术有效性的同时发现：对于一些复杂结构的设备，即使在共振条件 下时效效果由于应力降低的不均匀性，效果较差；同时指出一味地增加外加应力将有可能导 致材料出现疲劳损伤。与此同时，l o k s h i n 系统地研究了振动频率、振动流程及振动加速度 对振动时效结果的影响，并对振动消除残余应力的机理进行了简要分析，指出在振动过程中， 专才料的局部应力松弛导致了结构内部整体应力的重薪分布以及整体应力水平的降低： a d o y a n 通过对灰铸铁的振动消除残余应力的研究，作出s m i 也图来描述残余应力的减少以 及材料的疲劳情况，同时对振动时效的时间进行规定；接着a d o y a n 和s k a z h e n n i k 合作研究 了振动时效对铸铁材料尺寸稳定性的作用；w o m a a y 和d m w m e r 采用材料屈服点理论研究了 振动时效时外加动应力的大小；w o h l f a h r t 提出了消除残余应力的振动应力阈值的概念； d a w s o n 和m o f f a t 通过应变测量法测量了振动对相关残余应力重新分布的影响，同时确定了 振动应力闽值的作用。真正全面地振动时效的机理进行分析的是k e l s o ，他在1 9 6 8 年发表 的一篇文献中指出无序原子在外界能量作用下达到平德状态的过程是振动时效的本质，并提 出了目前对振动消除残余应力最普遍的宏观解释，就是残余应力和外加振动应力超过材料屈 服点时将发生塑性变形，从而导致残余应力释放。此后，s u d n i k 和j a r l y k o 采用标准的疲劳 强度图对该理论进行了补充，指出在完成了一定振动次数后所发生的微塑性流将导致残余应 力的释放。在近三、四十年中。v s r 技术得到了迅速推广和发展，在美国、英国、德国、 前苏联、法国等均已不同程度地应用到航空、海洋、钻探、机床、纺织、化工等各种锻、铸、 焊金属构件的处理中，美、德、法、英都有世界知名的v s r 设备制造商【i “。但关于v s r 技 术的模式还是仍旧停留在过去的水平上，这极大地限制了v s r 技术的进一步推广和应用。 2 浙江大学硕士学位论文 从查阅到的国外最新文献资料来看，具有较高创意的是1 9 9 8 年日本京都工学院提出的一种 采用超声振动激励消除焊接残余应力的新方法【l “，该方法是在焊接的同时，施加超声振动 激励，测试结果表明，焊接后残余应力显著减小。在近两年中，对v s r 进行较为系统研究 的莫过于英国斯特拉思克莱德大学的m u n s i 等，他们对焊接件残余应力进行了大量的研究 工作，首先研究了试样在焊接冷却中v s r 的作用，提出冷却中v s r 并不一定可以得到消除 残余应力效果的结论f 12 1 ：然后剥焊接后v s r 技术进行了分析，提出振动幅值比振动时间更 决定v s r 效果的结论，从而得到引入振动能量并不是产生v s r 的原圆”；接着研究了v s r 对焊接材料残余应力、微结构、硬度等的影响，得到v s r 使残余应力减小、改变了材料微 观结构，从而提高材料的硬度的结论【l4 j ：将焊接后材料试样分别进行热时效和v s r 处理， 发现和热时效相反，v s r 可以提高材料疲劳寿命的结论i 1 5 1 ：通过对焊接杆件施加扭转振动， 得出采用较小力矩就可以消除较大残余应力的结论【l 。1 。芬兰坦佩雷工业大学l i n d g r e n 等的 最新研究得到了非常有意义的结果”，他们对轴向焊接的低碳钢管的v s r 问题进行了研究， 同时残余应力分别采用巴克豪森噪声法及x 射线衍射法进行测量，测试结果表明，虽然试 样的残余应力在v s r 后得到减小，但是该试样在加工后的变形量却旧，文章由此提出了对 v s r 机理研究的重要性。 1 2 2 国内研究现状 v s r 技术于2 0 世纪7 0 年代被引进我国。1 9 7 4 年北京机床研究所开始研究v s r 工艺， 1 9 7 9 年我国第一台v s r 装置投放市场：“六五”期间v s r 被列为中国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， 使我国v s r 工艺研究达到了世界先进水平；“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q b t t 5 9 2 6 9 1 ) ，同时v s r 设备也开始摆脱仿制国外产品， 进入自行研制阶段；“八五”以来，我国的v s r 设备已经达到世界先进水平，具有代表性的 有株洲市天渊v s r 设备厂生产的“t z 2 1 系列智能型振动时效装置”、“r s r 系列全自动振 动消除应力专家系统”以及“r s r 2 0 0 0 系列全自动振动消除应力专家系统”。2 0 0 1 年8 月中 国机械工业联合会发布文件，正式将v s r 技术纳入机床制造标准，极大地推动了v s r 技术 的发展和应用。目前在全国已有数千台v s r 设备运用于航空、航天、冶金、机床、锻压铸 造、造船等工业中，有的企业已将v s r 列入正式生产工艺。国内许多学者也对v s r 技术进 行了许多理论方面的研究工作，四川立应科技有限公司的张勇等为配合国家经贸委技术进步 与装备司推广应用“振动时效技术”，专门撰写文章对v s r 的机理、对金属零件残余应力的 影响、对零件抗变形能力的影响、对零件尺寸精度的影响、工艺过程等散了详细的讨论并 对v s r 技术给予充分地肯定“w ：西安理工大学许肠等对v s r 的现场即时定性判断的判据提 出了新观点，认为与振前扫频曲线相比，振后扫频曲线是否简洁而平滑，是v s r 工艺效果 是否良好的重要标志之一i j 。 3 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 现在的研究存在的问题 尽管国内外学者及研究机构在振动时效的理论研究及实际应用中进行了大量的工作，然 而却仍存在不少问题，归纳起来有如下几个方面：( 1 ) 振动时效机理缺乏应有的研究。现有 的解释一般从宏观和微观两方面进行解释：在宏观上讲，当外加振动应力与材料内部残余应 力相叠加大于材料屈服极限时，材料将发生屈服变形，产生应力松弛，从而消除残余应力； 在微观上讲，在循环应力作用下，金属晶体发生位错运动，从而产生位错增殖、塞积和缠结 等现象，最终使高残余应力区的位错塞积群被开动，使晶体产生微观塑性变形，高残余应力 得以释放。然而这两种解释，特别是微观解释，还没有做到完全的量化，并缺乏揭示其内在 本质的依据。如文献1 1 5 对v s r 和热时效相比可以提高试样的疲劳寿命这一现象的机理还 无法进行解释；文献1 1 7 】l _ = 报道的芬兰学者在对焊接钢管进行振动消除应力时采用先进的残 余应力测试方法不但发现消除应力较小，而且发现振动前后的试样在加工中仍会发生同样的 变形，而其内在机理却无法解释。( 2 ) 残余应力的评判技术尚不成熟。该项技术是确保振动 时效各项应用的基础，同时也是研究振动时效工艺的基本保障。振动时效技术中通常采用试 件振动特性的变化来判定试件内部残余应力的变化情况，如根据初步的理论分析和实践经 验，当试件内部残余应力得到消除或降低时，表现在振动时效前后扫频曲线的变化上，其特 征是共振峰值增高而共振频率降低等现象这一特点在j b t 5 9 2 6 9 1 中被规定为判定振动时 效效果的标准，然而采用这些方法还缺乏严格的科学根据，对于较复杂的试钟往往会出现异 常的情况，同时这种方法灵敏度低、无法量化。所以一直到目前如何实现振动时效效果的正 确判定仍是许多学者研究的课题。( 3 ) 激振时效装置的研究未有进展。目前使用的大多数振 动时效设备的激振器是由单片机或集成块控制直流电动机带动偏心轮来产生振动信号但直 流电动机本身构造复杂、价格昂贵、工作可靠性较差；同时激励频率片面地局限于低频振动 范围之内，据现有报道的激振装置，激振频率一般小于2 0 0 h z 。文献【1 1 提到一种在焊接中 采用超声激励消除焊接残余应力的方法，并指出该方法在对大型构件进行振动时效处理时取 得很好的效果，但对该种高频激励的机理却再没有进行深入地研究；而对非焊接残余应力或 焊接后残余应力的高频振动时效的报道至今尚未看到。由于激振装置的单一性，对大型复 杂结构或微结构进行振动消除残余应力的办法很少。 鉴于此，本项目就振动时效的机理、装置及试验研究为线索展开研究工作。 1 3 本论文研究内容 本论文结合国家自然科学基金项目多维高频微观激振时效机理及相关技术的研究展 开( 项目批准号5 0 6 0 5 0 3 6 ) ，拟采取的方案为理论分析和实验研究相结合进行，研究步骤按 照图一所示方框图进行。 浙江大学硕士学位论文 (、 图1 研究方案总体思路 1 3 1 振动时效机理分析 具体分析了残余应力产生的原因、消除残余应力的外界条件，在此基础上探讨了振动消 除残余应力的机理：从细观力学出发，分析残余应力是由位错引起的品格畸变带来的弹性应 力场引起的；通过对试件振动时效前后的位错组态的变化咀及位错内耗理论方面来分析振动 时效机理。 1 3 2 振动时效装置的研发 研究一种采用振动时效方法降低、消除、均化金属构件的残余应力的装置。此装置采用 微机控制，调速方式为软件变频调速，激振器采用超磁致伸缩材料在交变的磁场中伸缩的原 理制成，由高频功率放大器驱动。采取超磁致伸缩材料研制激振器的优点在于：激振频率可 以远大于传统的电机驱动偏心轮式激振器。如果不考虑涡流损失，超磁致伸缩激振器上限频 率可以达到超声( 2 0 0 0 0 h z ) 以上；运用有限元软件a n s y s 对激振器进行建模和磁场分析， 得出使磁致伸缩棒工作在最佳区间的驱动电流和工作磁场。 1 3 3 关键技术问题的实验研究 为了使振动时效得到广泛的推广，需要使生产厂家相信振动时效的效果，而仅仅通过参 数曲线法来说明很难得到广大厂家的认可，所以，我们需对振动时效的工件前后进行残余应 力定量分析，我们从金相分析、超声波检测两方面对试件进行时效结果分析，在文中分析了 超声波在残余应力分析上的应用原理，并使用超声波的声时差与工件应力成比例的方法对振 动时效前后工件的残余应力变化进行定量分析。 1 。4 本章小结 本章阐述了研究振动时效技术的现实意义，并通过广泛的文献阅读，调查了国内外学者 的研究现状a 在此基础上，总结了当前研究中存在的一些不足之处，最后提出了本文的研究 内容与研究的整体思路。 浙江大学硕士学位论文 第二章振动时效机理及相关技术的研究 2 1 残余应力的产生 各种机械工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内出现不同程度的残余 应力。现分别根据残余应力产生的两种典型原因，叙述残余应力的产生过程。 2 1 。1 均匀塑性变形产生的残余应力刚刚瞄刁 我们来分析一下杆的均匀弯曲的情况，当杆上施加的弯曲应力超过材料的屈服强度时， 横杆受拉伸的一侧和受压缩的一侧均产生塑性变形，载荷除去后内部产生残余应力。如图 2 1 所示的材料为完全弹性塑性体，现仅研究弯曲时杆受拉开伸一侧的变形。设从中性轴到 鹿力 户惟牟l i 【 图2 1 完全弹塑性体的应力和应变 图2 2 均匀弯曲后杆的残余应力 距轴处为弹性变形部分见图2 2 ，在以外部分为塑性变形部分。除去载荷时，从中性轴 到z 。的部分，沿弹性e o 变形，而变形达到应变量九的塑性变形部分则沿着与弹性线e o 相 平行的店线进行弹性回复变形。此时沿p o 变形的部分，在其应变量回复到零时其应力亦回 复到零。而沿唐变形回复部分，应力为零时还残留有应交d g 。因此，欲使应变恢复到零， 应力值必须沿弹性线f g h 变化到应力为负值的一侧；同理，就承受压缩一侧的变形来说也 是同样的，此情况下应力状态只是与拉伸的情况相反，结果载荷除去后，为保持杆内部应力 的平衡就产生了如图2 2 所示的残余应力分布。 6 霞趟 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 热作用产生的残余应力刚 当在热作用下产生残余应力时，因为热作用是复杂的，在加热、冷却的过程中，材料内 某些部分会存在温度梯度，由于这种不均匀加热造成不均匀的热膨胀，从而产生热应力。而 当因组织转变引起材料内部产生不均匀塑性变形时，材料本身的屈服应力及弹性系数等也要 受到热的影响。 1 下面是一组合在一起的构件经加热、冷却产生残余应力的例子。图2 3 所示为0 0 4 c 的钢棒b 固定在刚性台a 上，将棒b 的平行部分在加热和冷却时的热应力加以分析。如i 缓 慢加热时，棒b 由于膨胀受约束而产生压缩的热应力。2 5 0 c 附近产生塑性变形使热应力降 低，至7 5 0 c 时应力为零，若进行缓冷，棒b 收缩要受约束而产生拉应力。i i 的情况时各温 号 茕 拦 、 - d 、 奄 y 讽睫1 c 图2 3加热、冷却产生的残余应力 a 一刚性台，温度不变h 一棒。使之加热冷却 i 加热i i 冷却 度下的应力都接近于此时的屈服应力，最终获得接近于屈服应力的残余拉应力。可在焊接和 其它局部加热的情况下看到这种实例。 2 2 改变残余应力的外界条件 2 2 1 残余应力下的位错应力场阅 塑性变形的实质是位错的运动，位错运动总是力图从高能量位置向低能位置转移，具有 滑移和攀移两种形式o “，由前面所述残余应力是弹性力的性质可知，如果位错能完整地完 成其运动而移出晶体内部，那么残余应力将不会存在。然而，在各种金属内部滑移因为种种 晶体内的障碍而不能移动到物体表面而滞留在晶粒内部，由此而产生了品格畸变，造成了内 ， 浙江大学硕士学位论文 应力的形成。 下面对位错的应力场进行分析，晶体中存在位错时位错线附近的原子偏离了正常位置， 引起点阵畸变，从而产生应力场。位错中心区除外，其形成的应力场可用各向同性连续介质 的弹性理论来处理。 取外半径为r ，内半径r o 各向同性材料的圆柱体两个。圆柱体沿x o z 面切开，使两个 切面分别沿z 轴方向和x 轴方向相对位移b ，再把切面胶合起来，这样在圆柱体内分别产 生了螺位错、刃位错的弹性应力场，如图2 4 。 图2 4 位错的连续介质模型 ( a ) 螺位错( b ) 刃位错 ( 1 ) 螺型位错应力场 采用圆柱坐标系，坐标选取如图2 1 ( a ) 所示。在离开中心r 处的切应变为 如2b 2 a r f 2 2 1 1 1 其相应切应力 盯口= 口r z a ：g ：_ g b z 厅 ( 2 2 1 2 ) 式中g 为切变模量。由于圆柱只在z 方向有位移，x ，y 方向无位移，所以其余应力分 量为零。 盯一= 盯卯= 盯盟= 盯坩= 盯舟= 盯厅= 盯玎= o ( 2 2 1 3 ) 如果采用直角坐标系表示 d 。= a 。= 吨扣n 口= 一罢南 铲妒肌罢寿 盯“2 。2 盯口2d v2 。f = 0 ( 2 2 1 4 ) 由上面式子可以看出，螺位错应力场中不存在正应力分量。切应力分量只与r 有关，与 8 浙江大学硕士学位论文 0 无关，所以螺位错应力场是径向对称的，即同一半径上的切应力相等。当r o ，d 赢与d 白 趋于无限大，显然不符合实际情况，这是由于线弹性理论不适用于位错中心的严重畸变区。 ( 2 ) 刃型位错应力场 刃位错应力场比螺位错复杂，按图2 1 ( b ) 所示，根据弹性理论可求得应力场圆柱坐标系 及直角坐标系表达式 fs i n 0g bs i n 0 卜可一刊_ 一2 a ( 1 - v ) 了 l 吁。c o s ，o = 一互丽g b 五了c o s o 、 及 一一。甓笄 ? 羔麓 亿2 。， 仃。= v ( 盯。4 - 盯。) 、7 仃。= 仃，= 。丢譬；亏写； 2 仃。：盯f = 盯= 0 由上面的公式看出刃位错应力场有如下特点：正应力分量与切应力分量可同时存在，各 应力分量与z 无关，印与位错线平行的亩线各点应力状态相同；y 0 ，即滑移面以上， d 0 0 为压应力；y 0 ，即滑移i 酏2 t ) g 拉应力；y = 0 无正应力，此时切应力最大。 此外对于应力场中任一点l 盯。l 总是大于i o r 。i 。显然同螺位错一样，上述公式也不适于刃 位错中心区。 由上面的分析可以证明，当工件内部具有位错时，将引起晶格畸变，产生残余应力。 在切应力作用下，晶体中的位错将发生运动，由于位错移动的方向总是与位错线垂直， 故可设想有一个垂直于位错线的力，造成了位错的移动，这就是“作用在位错线上的力”， 可用虚功原理求得。 由图2 2 可知，切应力t 使一小段位错线d 移动了d s 距离。此段位错线的移动使晶体 中d a 面积上下两部分沿滑移面产生了滑移量为6 的滑移，故切应力做的功为 w = ( 露翻) - b = r d l d s b ( 2 2 1 7 ) 另一方面此功相当于作用在位错上的力f 使位错线移动d s 距离所作功 w = f d s ( 2 2 1 8 、 9 浙江大学硕士学位论文 由上面两式可求出f = 西- 讲，作用在单位长度位错上的力用日表示则有 乃= f l d l = 而 ( 2 2 1 9 ) 所以作用在单位长度位错线上的力与外加切应力t 和柏氏矢量b 成正比，方向垂直于位 错线，并指向未滑移区，如图2 2 。需指出的是疋与的方向往往不同。 位错除了受外力外，位错之间也存在着相互作用力，如两根平行的螺位错之间存在着相 互吸引力( 异号位错) 或相互排斥力( 同号位错) 。 2 2 2 金属在交变力下作用下的位错运动及组织变化 1 ) 位错的增殖 塑性变形常见的方式是滑移，金属在外力作用下的变形过程是通过塑性变形实现的，在 变形过程中，当一个位错扫过滑移面，只在表面留下高度为6 的滑移台阶，大量塑变时需要 很多位错扫过，所以塑性变形的进行，位错数目应不断减少，但这与事实不符。实验证明， 充分退火的金属位错p * 1 0 6 c 晰_ 2 左右，剧烈变形的金属p “1 0 “l o ”c 研，这表明位 错增殖了。增殖机制有多种，常见的一种是弗兰克瑞德源，如图2 5 所示。 晒圃蜮 喊憾哟。 图2 ，5 弗兰克一瑞德源 退火状态位错以三维网络存在于晶体中，有一两端钉扎的位错线a b ，在外加切应力f 作 用下，位错线a b 受力而，方向垂直于位错线，使之克服位错线的线张力，产生弯曲如图 2 , 5 ( b ) 所示，外加应力的大小和位错线曲率半径r 成反比，其关系式如下口“： g b f = 一 2 r ( 2 2 2 1 ) 1 n 浙江大学硕士学位论文 当位错线弯曲成半圆时，曲率最小，切应力最大，如图2 5 ( c ) 所示。故位错增殖的临界应力 为f = g 6 见，l 为位错线两个端点a b 之间的距离。由于位错线上各点线速度相同，在位 错线两个端点附近要保证相同的速度，必须增加角速度，使位错线形成卷曲状，如图( 2 5 d ) 所示。在图2 5 ( d ) 中规定位错线的正方向。由于一根位错线只有一个柏氏矢量，在m 、n 处 位错线方向相反，若a b 原来是刃型位错，则m 、n 处为反号螺位错。在切应力作用下，位 错线继续扩张，当两端点相遇时，互相抵消，如图2 5 ( e ) 所示。位错环在切应力f 作用下又 重复上述过程，又可放出新的位错环，如图2 5 ( f ) 所示。位错增殖机制很多，如双交滑移增 殖机制，攀移增殖等。 位错在外应力作用下，还会遇到不在该滑移面上的位错，阻碍位错的运动，我们把这些 起阻碍作用的位错叫做林位错。林位错所造成的障碍对滑移的难易程度有很大的影响，有时 它会完全阻止位错的运动，形成位错钉扎。在位错移动过程中，领先位错除了遇到林位错外 还会遇到晶界、不可动位错组态、溶质原子等很强的障碍物，这时，由于领先位错无法克服 这些障碍物的阻力而在障碍物前停下来，于是受外力作用继续由位错源激发出来的位错将塞 积在领先位错之后，从而形成塞积群。 2 1 位错塞积群的开通 考虑晶体内的一个位错源，它所发出的一系列位错在同一滑移面滑移。其领先位错遇到 了很强的障碍物，从而形成的位错塞积，图2 6 为其示意图。 锚一l l 一一工一， 图2 6 位错塞积群示意图 图中，f o 为外加切应力，各位错在外加切应力作用下的平衡位置依次标以1 、2 、 3 ，n ，令第一个位错在x = 0 的地方，设想这组位错均是正刃型位错，其余位错的位 置分别以z 2 ，屯，z 。表示。则第j 个位错在第i 个位错位置上的剪应力为 一丽g b 石_ 笔万。这样其它位错对第；个位错的作用力总和为 浙江大学硕士学位论文 仁一獗g 而b 2 善百1 丽 2 石( 1 一v ) 智( x 一x ，) 为了求出外加应力及其它位错对第i 个位错的作用力总和 ( 2 2 2 2 ) 我们来分析外加剪应力作用 图2 7 外力场对位错作用力 下，位错所受到的力。我们的思路是晶体在外力作用下滑移，滑移面两侧的晶体产生一定的 相对滑移量，同时位错线向前运动一定的位移量。外力使晶体滑移所作的功，应该等于作用 在位错线上的力在位错线移动过程中所作的功。 先讨论使位错滑移的力，图2 7 所示，晶体中的刃型位锗，柏氏矢量b 的方向沿x 轴方 向。x o z 面为滑移面，假如位错线的长度为，在外加剪应力f 。的作用下，位错线向前移动 d s 距离，则位错线扫过的面积为，出，在位错线扫过的面积内，上、下两部分晶体产生了 大小为b 的相对位移，因此外加剪应力“使晶体滑移所作的功为 暇= ( f o ，a s ) - b 假如作用在单位长度位错线上的力是f 则该位错线总的受力为：f ，该力在位错线 移动过程中所作的功为 = ( f t ) a s 根据虚功原理，m = ，因此可得 f = b ( 2 2 2 3 ) 由此我们可以得到外加应力场及其它位错对第i 个位错的作用力总和为 一1 2 浙江大学硕士学位论文 z = 一互莉g b 2 缶 万1 丽一啪 ( 2 2 2 4 ) 外加切应力作用下，塞积的长度可用式( 2 2 2 4 ) 求得。因为，在平衡状态下，= 0 ，而 i 可以从2 至n ，由此可列出( n - i ) 个方程，用计算机解此联立方程组，当n 较大时，得到 近似解0 8 1 x 。堡l ( f 一1 ) ：1 1 6 ( 1 一v ) n r o 、 。 帆z 筹”1 ) 2 蚴6 ) 当n 很大时 三。堕 8 ( 2 227 ) 其中 4 ： 墅 2 a - ( 1 一y ) ( 2 2 2 8 ) 接着我们来分析塞积群产生的应力场。由式( 2 2 i 5 ) 可知第i 个位错的应力场公式为 ，：一生上 2 n ( 1 一v ) ( x r + ，) ( 2 2 ，2 9 ) 于是，外力作用下，塞积群前方的应力场可用下式计算 一嵩2 7 ：( 1 喜南飞一v ) 智( x ，+ r ) ” 考虑以下三种情况：( 以下讨论中，只给出剪应力大小值) ( 1 ) r l ，此时公式中的+ r mr ，由式( 2 2 ，2 1 0 ) 可得 力g b1 7 “2 n ( 1 - v ) = + o 当r 无穷大时，f 。 可见塞积群对远距离的应力影响很小。 - 1 3 浙江大学硕士学位论文 ( 3 )x ，l ，此时可采用位错连续分布模型来分析问题，设想位错线密度为 d ( x 1 ，, 1 b d ( x ) d x 为分布在区间d x 内的位错的柏氏矢量之和，于是式( 2 2 2 1 0 ) 写成 仁赫2 n - ( 1r 篱+ 一v ) 山( x + r ) ” 当n 很大时，位错线密度d ( x 。) 可用下式近似表示2 8 1 由式( 2 2 2 5 ) 可得 d ( t ) ：l 墨+ l x f =垡12一(i-xi+l-xi 1 ) 2 82 n r of 一1 ) j = 芸”争 蔫a 石砸：v 1 + 赝 将式( 2 2 2 7 ) 和( 2 2 2 1 2 ) 代入式( 2 2 2 1 1 ) ，整理后得 弘万4 v o 量研孺d x 当r 0 1 2 1 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