（机械制造及其自动化专业论文）铝合金时效强化工艺的设计与研究.pdf

中文摘要 振动时效技术在黑色金属的强化在生产中已有所应用，对于铝合金的振动 实效研究仍然是个盲点，本文紧密结合工程实际应用，以高强、轻质的的铝合 金的时效强化为研究对象，从固溶与时效强化过程与振动消除残余应力过程的 微观本质出发，揭示热处理与振动处理相结合的强化方式能够大大缩短铝合金 时效时间、对铝合金力学性能提高、微观组织改变、降低和均化工件残余应力 的机理，对经强化工艺处理的铝合金试样进行试验分析。揭示铝合金强化机理 及相关工艺的制定。得出以下研究成果： 1 对振动消应机理方面进行了深入细致的探讨，运用细观力学的方法探 索了位错和位错群的应力场，从而揭示了位错塞积的开通和残余应力下降、均 匀化的详细过程。 2 设计并组装了一套能够同时进行人工时效和振动处理的铝合金强化装 置，对固溶后的铝合金试样进行强化。 3 通过实验结果分析，金属型浇注的z l l 0 5 试样采用振动和人工时效相 结合工艺处理时，沉淀相析出更加弥散化、均匀化，力学性能提高。残余应力 大大降低，提高构件抗动载荷变形能力，有较高的尺寸稳定性。时效时间大为 缩短，降低成本，技术经济效益显著，振动时效和人工时效相结合处理工艺是 稳定可靠的。 关键词：固溶时效强化位错铝合金 a b s t r a c t v i b r a t o r ya g e i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nt h ee n h a n c e db l a c km e t a l p r o d u c t i o n ，h o w e v e r ，t h e r e s e a r c ho fa l u m i n i u ma l l o yv i b r a t i o ne f f e c t i v e n e s s t e c h n o l o g yi ss t i l lab l i n ds p o t c l o s e l yc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a lu s a g eo ft h ep r o j e c t ， t h i s a r t i c l ea i m st or e s e a r c ht h ea g eh a r d e n i n go ft h eh i g hi n t e n s i t ya n dl o wm a s s a l u m i n i u ma l l o y , s t a r t sf r o mt h em i c r o c o s m i ce s s e n c eo fs o l i ds o l u t i o na n da g e h a r d e n i n gc o u r s ea s w e l la st h ec o u r s eo fe l i m i n a t i n gr e s i d u a ls t r e s sb yl i b r a t i o n ， r e v e a l st h a tv i as c h e d u l eo fr e i n f o r c e m e n to fh e a tt r e a t m e n ta n dl i b r a t i o nt r e a t m e n t c o m b i n a t i o nw i l ll a r g e l ys h o r t e nt h ep r a c t i c a lt i m e ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a l u m i n i u ma l l o yd e s i g ni nm e c h a n i c sa sw e l la st h ec h a n g eo fm i c r o c o s m i c c o n s t i t u t i o n ，l o w e ra n db a l a n c et h er e m a n e n ts t r e s so f t h ew o r kp i e c e ，t h u sa n a l y z e s t h ea l u m i n i u ma l l o ys a m p l e b yh a r d e n i n gt r e a t m e n ta n dr e v e a ls t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s ma sw e l la sf o r m u l a t i o no ft h er e l a t i v e l yt e c h n i q u e s t h e r e f o r ei tg e t st h e r e s e a r c hf i n d i n g sa sf o l l o w s ： 1 i n d e p t hs t u d yo ne l i m i n a t i n gr e s i d u a l s t r e s sb yl i b r a t i o n ，e x p l o r et h e s t r e s sf i e l do fd i s l o c a t i o na n dd i s l o c a t i o ng r o u pi nm e s o m e c h a n i c sw a y ，a n dr e v e a l t h ed r e d g i n go fp i l i n gu po fd i s l o c a t i o n s ，d e s c e n da n dh o m o g e n i z a t i o no fr e m a n e n t s t r e s sc o u r s e si nd e t a i l 2 d e s i g na n da s s e m b l eas e tw h i c h c a nd oh a r d e n i n go fa l u m i n i u ma l l o y d e s i g ne x p e r i m e n tw i t ha r t i f i c i a la g i n ga n d l i b e r a t i o nt r e a t m e n ta tt h es a m et i m e ，a n d d os t r e n u o u st e s t t oa l u m i n i u ma l l o ys a m p l ew h i c hi sa f t e rs o l i ds o l u t i o n 3 t h r o u g ht h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ，s a m p l ez l 10 5p o u r e db ym e t a l p a r e r np r e c i p i t a t e dr e v e a l st o b ed i s p e r s i o n ，e q u a l 泣a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f m e c h a n i c a lp r o p e r t yt h r o u g ha r t i f i c i a la g i n ga n dl i b e r a t i o nt r e a t m e n t r e m a n e n ts t r e s s i sf a l l e ng r e a t l y ，a n di m p r o v e st h ed e f o r m a b i l i t yo fa n t i d y n a m i cl o a d ，w h i c hh a s d o m i n a t et e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t s ，w h i c hs h o w st h e t r e a t m e n to f a r t i f i c i a la g i n ga n dl i b e r a t i o nt r e a t m e n ta tt h es a m et i m ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：s o l i ds o l u t i o n ，a g i n g ，i n t e n s i f i c a t i o n ，d i s l o c a t i o n ，a l u m i n i u ma l l o y n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或 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 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：卟孵、 签字日期：加。7 年多月车日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：动也谤、导师签名：五刚 签字日期：枷夕年6 月q 日签字日期：汕。7 年6 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 现代工业应用对结构材料提出了高强、轻质的要求，这一要求在交通领域如 航空航天、航海、汽车等工业中尤为重要，因为高比强度材料的使用不但可以减 轻实体的重量以获得更快的速度还可以降低耗油量以节约能源。因此，结构材 料的强化、轻化始终是材料科学界和冶金科学界不懈追求和完善的目标之一，也 是材料发展和技术革新的源动力之一，而铝合金特别是时效强化铝合金的研制、 研究及发展无疑占据了极重要的地位。针对金属的时效强化，振动时效的效果在 黑色金属领域已得到验证，铝合金处理方面却仍属未被开发的领域，本文针对此 局面和市场需求，设计铝合金振动时效系统，并分析铝合金振动时效效果。 1 1 1 铝及铝合金的性能特点 铝及其合金是有色金属中用途较广的轻金属之一。它具有密度小( 2 7 2 9 m 3 ， 约为铁的1 3 ) 、重量轻、铝的熔点低( 6 6 0 ) ：比强度高、塑性高( 沙= 8 0 ) 导电与导热性好( 导电性仅次于银和铜，居第三位) 且具有较好耐蚀性( 因为铝 和氧的亲和力很大，在室温中即能与空气中的氧化合，表面生成一层薄而致密并 与基体金属牢固结合的氧化膜，阻止氧向金属内部扩散而起到保护作用) 1 2 。 纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的 力学性能，在纯铝中加入某些合金元素制成铝合金。铝合金仍保持纯铝的密度小 和抗腐蚀好的特点，而力学性能比纯铝高很多。铝合金的相对比强度极限接近甚 至超过了合金钢，而其相对比刚度则大大超过钢铁材料，故对于重量相同的结构 零件，如用铝合金制造时可以保证得到最大的刚度。即使在新材料层出不穷的今 天，面对来自钛合金、金属基复合材料、高分子复合材料等先进材料的强有力竞 争，铝合金还是凭借其可进一步改进的高的比强度和比刚度、较优异的抗高温抗 腐蚀能力、适于回收再利用的环保优势以及多年成熟的应用稳定等特性仍然是航 空工业的首选结构材料，如飞机机身、机翼的蒙皮等。同时，铝合金在汽车工业 ( 如发动机的壳体、活塞、工作缸与主缸、轮毂等) 、摩托车与自行车行业( 如 摩托车的减震器、上连板、起动杆、缸头，自行车的曲柄、链轮、轮毂等) 、船 舶工业、建筑行业、电气与电子行业、容器包装等众多关系到国计民生的领域也 中都得到了越来越广泛的应用。因此，有关铝合金的研究仍然会是材料研究中的 第一章绪论 热点。 根据合金元素和加工工艺特性，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两 大类。铸造铝合金是直接用铸造的方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。铸造 铝合金除要求必要的机械性能和耐蚀性外，还应具有良好的铸造性能，为此铸造 铝合金比变形铝合金含有较多的合金元素，可形成较多低熔点共晶体以提高流动 性，改善合金的铸造性能。变形铝合金经熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成 各种型材、棒材、管材和板材。变形铝合金加热时，呈单相固溶体状态，合金塑 性好，适宜压力加工。通过冷变形和热处理，可使其强度进一步提高。变形铝合 金按成分和性能特点又可以分为不可热处理铝合金和可热处理铝合金p j 。可热处 理铝合金即时效强化铝合金，是一类通过添加适量的溶解度随温度升高而增大的 合金元素然后采用固溶、快冷、退火的热处理工艺从过饱和固溶体中脱溶沉淀出 具有弥散强化作用第二相的时效型铝合金。 1 1 2 铝合金的强化 为了提高铝合金的机械性能和改善内部组织，铝合金可以采用热处理或其他 的强化方式1 4 j 。 a ) 形变强化 纯铝及不能热处理强化的铝合金，例如：a i - m g ，a 1 - - s i 和a l m n 等合金， 通常只能以退火或冷作硬化状态使用。冷作硬化可使简单形状的工件强度提高， 塑性下降。例如：国= 1 0 1 6 、国m 。 o 0 5 的铝合金，退火态吼2 1 2 7 4 m p a 、 万= 2 3 ，经强烈加工硬化后盯。= 2 1 5 6 m p a ，而万= 5 。经冷作硬化的铝合金， 需进行再结晶退火，以达到消除加工硬化和获得细小晶粒的目的。大多数铝合金 当变形度为5 0 - - - 7 0 时，开始再结晶温度约为2 8 卜3 0 0 。再结晶退火温度约为 3 0 0 , - - - 5 0 0 ，保温时间为0 5 - - 一3 h 。退火温度亦可采用低于再结晶温度，得到多 边化组织或部分再结晶组织，以获得介于冷变形和再结晶之间的性能。这种不完 全退火方法通常用于不能热处理强化的铝合金。 b ) 固溶强化和细晶强化 纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，可使其强度提高。 a 1 c u ，a l - i g ，a i - s i ，a i - z n ，a i - m n 等二元合金一般都能形成有限固溶体，并 且均有较大的溶解度，因此具有较大的固溶强化效果。 对于不能热处理强化或强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金，可以通过 加入微量合金元素细化晶粒，提高铝合金的机械性能。例如二元铝硅合金以及所 有高硅合金淬火及时效后强化效果很弱，若在浇铸前往液态合金中加入微量的钠 或钠盐等其它某些物质进行变质处理，那么合金组织将显著细化，从而显著提高 第一章绪论 合金的强度和塑性。例如鲰j = 1 3 的a l s i 合金，未经变质处理时， 口。= 1 3 7 2 心m 2 ，万 - 3 ，而经变质处理后，合金的仃。= 1 7 6 4 州m 2 ，占= 8 。 变形铝合金中加入微量t i 、z r 、b e 及稀土元素；能够形成难熔化合物，可作 为合金结晶的非自发生核核心，从而细化晶粒，提高合金的强度和塑性，例如a 1 m n 防锈铝合金，添加缈_ 0 0 2 0 3 的t i 时，可使组织明显细化。 c ) 时效强化 热处理可强化的铝合金，例如a 1 - - c u 、a 1 c u m g ，a i - m g - s i 等铝合金，c u ， m g ，s i 等元素与a 1 能形成c u a l 。、m g 。s i 、a 1 。c u l v i g 等金属间化合物( 强化相) 。这些 强化相在铝中有较大溶解度，且随温度下降而显著减小。因此，过饱和固溶体由 于强化相在脱溶过程中的某些中间状态具有特殊晶体结构，而使铝合金得到强 化。时效强化是铝合金强化的主要途径。 1 2 课题的提出 铸造a l s i 系合金是铸造铝合金中最重要的一个系列，该类合金铸件占铝 铸件的8 5 - 9 0 左右，由于其密度小，比强度高，同时具有优良的铸造性能、 抗蚀性能、热膨胀性能，广泛地应用于航空航天、汽车、运输、机械等各行业中。 但目前我国在铸造铝合金的研究和开发方面与发达国家还有一定差距。随着现代 工业的发展，特别是对产品轻量化、高强化的要求，工业对具有综合性能的铸造 a l s i 类合金的需求量越来越大。这类合金通过热处理方式，可以在保持密度小、 耐蚀性好等条件下，大大提高合金的强度，基本能满足工业要求。铝合金的主要 强化方式就是固溶与时效强化。时效强化是改善铝合金材料工艺性能和使用性 能，充分发挥材料潜力的一种重要手段。 在铝合金铸件的生产当中，通常对能够接受固溶化处理及时效强化的铝合金 铸件进行t 6 处理【5 】，通过改变金相组织达到提高机械性能的目的。所谓t 6 处理， 即在铸件铸造后，经固溶淬火使合金元素过饱和固溶，然后进行人工时效，使其 析出强化相，提高了机械性能。其操作工序如下：将铸造冷却后的铸件，重复加 热至高温( 5 3 0 左右) 长时间的保温，一般要6 - - 8 小时。出炉水淬( 固溶化处 理) 然后进行人工时效，一般在1 8 0 - 2 0 0 保温1 4 小时出炉空冷。通过t 6 处 理可提高铸件的抗拉强度和硬度，能保证一定的塑性，并改善铸件的切削加工性 能，消除在铸造过程中形成的内应力，同时也稳定了铸件的尺寸和组织，改善了 铸件的合金组织和机械性能。但是t 6 处理过程时间较长，一般一次约2 0 h 以上， 降低了生产效率，增大了生产成本。近1 0 年来，振动时效工艺被广泛的应用到 各种生产当中。金属构件振动时吸收能量的速度比热时效和自然时效快得多，故 第一章绪论 效率高，节约能源。所以在铝合金t 6 热处理过程中加入振动工艺，利用智能型 振动时效设备( 控制精度高、稳定性好、实现时效过程全自动化) 进行处理，不 仅能够强化铝合金铸件、提高铝合金铸件的机械性能，而且能够降低和均匀化铸 件中的残余应力： a ) 淬火得到的过饱和固溶体是亚稳相，处于较高的能量状态，具有转变成 稳定状态及自发分解的趋势。在时效过程当中，附加振动处理工艺，将增大激活 能，减少从不稳定状态到稳定的平衡状态的时间。使饱和固溶体中析出细小弥散 的沉淀相。沉淀颗粒将阻碍位错的运动，从而使合金得到强化。 b ) 通过淬火可以提高铝合金材料的强度，一般来说，随淬火冷却速度的增 大，材料强度会有所提高，同时构件对腐蚀及应力腐蚀的抗力也会提高；但是淬 火冷却速度增大，构件中残余应力及翘曲变形程度也会增大。对于大型、复杂的 隔框零件，由于其不同截面厚薄非常不均匀，淬火冷却速度的影响更大。残余应 力是使构件疲劳极限下降、断裂韧性下降以及抗变形性能下降的主要原因。使用 振动工艺将能消除残余应力、降低和均匀化残余应力。 应用人工时效与振动时效相结合的强化处理工艺将会节省能源、提高效率、 减少投资，取得明显的经济效益和社会效益 1 3 振动时效技术概述 振动时效又称v s r 振动消除应力澍6 1 ，它的实质是以机械振动的形式对工件 施加应力，当施加应力与残余应力叠加的总应力达到或超过某一数值后，在应力 集中的地方就会因应力超过金属材料的屈服强度而发生微观和宏观的塑性变形。 从而降低该处的残余应力峰值，达到应力均匀化的目的；从金属物理学上看，振 动时效的过程，实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。 由于金属材料存在位错，所以在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相 互叠加，在应力较高的区域，就可产生位错滑移，出现微小塑性变形。位错滑移 是单向进行线性累积的，当微应变累积到一个宏观量，构件宏观内应力随之松弛， 使残余应力的峰值下降，改变了构件原有的应力场，最终使构件的残余应力降低 并重新分布，在较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻，从而强化 了基体，提高了构件抗变形能力，使构件的尺寸精度趋于稳定。 1 3 1 振动技术的发展及成果 1 3 1 1 振动技术在国外的发展及研究成果 第一章绪论 用振动的方法消除构件的残余应力技术，其理论创始人是美国著名的物理学 家j w s t r a r ，于1 9 0 0 年在美国取得专利【7 】。但是由于人们长期使用热时效，加 上当时对振动消除应力的机理不十分明确，且高速电机尚未出现，造成设备沉重、 调节不便，因此该技术一直未得到发展和应用。6 0 年代由于能源危机，美国、 英国、日本、德国等国开始研究振动时效机理和应用工艺。特别是到7 0 年代， 由于可调高速电机的出现，推动了振动时效装置的发展。1 9 7 3 年英国制成手提 式v s r 系统v c m 8 0 ，后来美国马丁工程公司也研制出比较先进的l t 1 0 0 r 型 v s r 系统。法国和苏联分别生产出p s v 型和n b 型v s r 系统。这些比较先进的 激振装置，促进了振动时效工艺的发展和应用。 据统计【引，目前世界上正在使用的v s r 系统约有一万台以上。美国1 9 8 3 年 采用振动时效工艺的已有7 0 0 多个公司，苏联和东欧一些国家也大量使用，都取 得了明显的经济效益，许多国家都已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标 准工艺。在英国，几乎没有任何一家公司不使用该技术的。振动时效在国外的应 用范围比较广，被处理的构件类型也比较多。例如： a ) 英国一机床公司生产大型精密机床，床身与立柱要求精度为 0 0 1 m n l 2 m m 。过去采用热时效其精度保持性较差，后来采用振动时效，满足精 度要求，因此现己将振动时效定为该项产品的标准工艺。 b ) 英国生产的铝合金铸造精密泵体，其尺寸为2 7 5 3 0 0 1 5 0 m m ，也是用 振动时效来保持其精度的。 c ) 美国p x 工程公司，用振动时效消除8 吨重的焊接结构齿轮的内应力， 用以减少焊接裂纹。 d ) 美国p o n l a n d 电子工业公司，用该技术处理4 吨重的锻件毛坯。该公司 规定对锻件进行三次振动处理：毛坯、粗加工后和精加工后。三次处理后即保证 了锻件的稳定性。 e ) 美国华盛顿钢铁公司，对该公司生产的4 7 吨重的剪床座进行振动处理， 剪床座是用15 2 m m 至2 0 3 m m 厚的钢板焊成加强筋厚为3 8 m m 至7 6 m m 。这样大 而重的构件只用4 0 分钟的振动处理就代替了过去的热时效处理。 f ) 美国西北工艺公司对1 8 0 0 吨重的海洋铁塔及1 2 8 0 吨重的钻井平台也采 用过振动时效处理。 g ) ) 英国喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率达 3 0 以上，后来采用振动时效工艺，报废率几乎为零。 h ) 英国生产的所有专用机床床身都是用振动时效代替热时效。有三十多家 机床和十多个锻压设备厂都是将振动工艺时效作为标准的生产工艺。 英、美等国在其他工业部门也大量采用振动时效，如造纸机械厂、船舶轴承 第一章绪论 厂、激光焊接厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制 造厂、发电厂、锅炉厂等都采用振动时效来消除构件的应力。 1 3 1 2 振动技术在国内的发展及研究成果 从我国“六五”期间把振动时效技术的应用作为3 8 个重点攻关项目之一， 至今已经历了近半个世纪。但由于人们受旧工艺习俗的影响较深，振动时效标准 又不健全，以及计划经济管理体制的束缚，振动时效技术的应用和推广可以说是 不甚理想的。 改革开放以后，随着国家对环保工程的重视，国外振动时效技术设备的引进， 以及企业对节约资金、能源及劳动力等的重视程度的提高，使得振动时效在技术 上、设备上和标准的制修订上都有了飞跃的发展。政府、行业、企业及大专院校 在这一技术领域也给予投资和关注，从而加速了该项技术的推广和应用。多年来， 以原机械工业部所属的一批科研院所和厂家，如北京机床研究所、哈尔滨焊接研 究所、北京第一机床厂、齐齐哈尔第一机床厂等，对振动时效如何增强材料抗变 形能力，如何减少和均化残余应力和稳定工件尺寸精度等方面，做了大量的试验 和论证。在振动时效机理研究方面，以上海交大、西南工大、西安理工大和哈工 大为代表的一批大专院校从动力学、位错和滑移等金属学理论上加以研究，使得 振动时效技术理论得到了进一步的发展。 振动时效技术自1 9 7 6 年从国外引进后，几乎在所有机械行业的大型铸、锻、 焊、机加工件中被采用，并于1 9 9 1 年被国务院新技术办公室批准为国家重点推 广项目。1 9 9 3 年被国家科委列为“国宝级科技成果重点推广计划”项目。 a ) 机床生产上的应用：高精度数控机床尺寸稳定性是重要的因素，北京航 空工艺研究所每年生产的组合机床，子午线轮胎等铸造、焊接工件近5 0 0 t ，热加 工后进行一次时效，粗加工后进行二次时效。因此，振动时效能在生产中发挥巨 大的作用。 b ) 火电机组电机机座：3 0 0 m w 火电机组电机机座重约2 8 t 、尺寸为 3 8 0 0 m m x 4 2 0 0 m m ，由环板、包壳和托架等组焊而成，由于刚度的需要材料厚 度为3 0 7 0m m 不等，焊后残余应力大，按原工艺要求必须进行热时效。为了解 决热时效费用大，需候炉及热时效耗时长所造成的生产瓶颈现象，故考虑用振动 时效来代替热时效工艺，由于机座工作在室温条件下，时效的目的是尺寸稳定， 无去氢和软化材料的技术要求，因此可采用振动时效的工艺试验结果为：消应 力效果为5 0 - - 8 0m p a 。按原始最大残余应力为2 3 5 m p a ，振后水平为1 3 5 一 1 5 5 m p a 。 c ) 不锈钢焊接构件：核电不锈钢导向筒焊后除应力可采用热时效和振动时 第一章绪论 效两种工艺，热时效具有峰值应力下降幅度大，工艺变形小的优点，工艺指标完 全达到要求可以推广使用。振动时效的工装简单，工艺快捷，有工艺变形小、应 力均化明显的效果，工艺指标也可满足技术要求，是一种值得进一步开发，旨在 局部替代热时效的节能工艺。 d ) 化工设备领域：振动时效消除应力法的推广和应用，将改变目前有关化 工设备的设计思想。以前无法进退火炉及制造规范规定不需要进行消除应力处理 的，如重要介质但常压的设备，现在只需较小的投入即可进行消应处理了，为化 工设备安全系数的提高提供了有效手段。由于尺寸精度的提高，密封性能得以改 善；由于疲劳寿命的提高和抗应力腐蚀能力的增强，设备的使用寿命得到延长。 振动时效设备简单、操作方便、省时、节能效果好，可适应结构复杂及尺寸庞大 的工件，化工设备制造行业应积极推广应用。 国外技术工艺的要求使我国在出口产品上应用了振动时效工艺。佳木斯电 机厂生产的出口电机由于国外厂家的要求，在电机壳上使用振动时效工艺，达到 了设计要求，大连橡胶厂为美国生产的设备也要求用振动处理来消除应力。这些 都促进了国内振动时效技术的应用。 近年来振动时效技术在国内外得到迅速发展和广泛应用。据最新调查资料 统计，振动时效设备投入运行的有近十万台之多，在世界范围内有数万家企业全 部或部分采用振动时效工艺技术，每年处理工件上千万吨。振动时效在许多发达 国家被确定为某些机械构件必须采用的标准工艺。我国科技工作者经过多年努 力，在振动时效技术发展和设备研制上取得了突破性进展，振动时效设备从普通 型发展到智能型、专家型，在操作方式及数据分析上由人工手工完成发展到计算 机分析处理数据，电控工艺过程自动控制并达到最佳振动时效效果。 1 3 2 振动时效的优点 a ) 投资少与热时效相比，它无需庞大的时效炉，可节省占地面积与昂 贵的设备投资。现代工业中的大型铸件与焊接件，如采用热时效消除应力则需建 造大型时效炉，不仅造价昂贵、利用率低，而且炉内温度很难均匀，消除应力效 果很差，采用振动时效可以完全避免这些问题。因此，目前对长达几米至几十米 的桥梁、船舶、化工器械的大型焊接件和重达几吨至几十吨的超重型铸件，较多 地采用了振动时效。 b ) 生产周期短金属构件共振时吸收能量的速度比时效和自然时效快得多， 热自然时效需半年以上，热时效至少需2 4 h ，而振动时效一般只需5 , - 一3 0 m i n 就 可完成，故效率高，节约能源。另外，振动时效不受场地的限制，可直接在机加 工生产线上实施，减少了在时效前后的往返运输。 第一章绪论 c ) 使用方便，适应性强振动时效设备体积小、质量轻、便于携带，而且 振动时效不受工件大小及材质的限制，工件从几公斤到几十吨，从铸铁、铸钢到 焊接件、结构件都可以采用。 d ) 成本低，无环境污染振动时效设备的功率一般在2 k w 左右，消耗电能 很少。实践证明【9 功率为0 1 8 - 0 7 4 k w 的机械式激振器可振动1 5 0 t 以下的工 件。故粗略计算其能源消耗仅为热时效的3 ，- - 5 ，振动时效费用仅为热时效的 1 0 左右，而且振动时效不产生烟气、废气、灰渣等污染物。 e ) 显著提高工件的机械性能经过振动时效处理后，工件的残余应力可以 被消除2 0 8 0 ，强度和疲劳寿命显著提高，并可以有效稳定工件尺寸精度， 降低应力腐蚀，避免金属零件在热时效过程中的变形、氧化、脱碳及硬度降低等 缺陷。是目前唯一能进行二次时效的方法。 振动时效的优点越来越得到人们的青睐。目前，振动时效在黑色金属领域应 用较为广泛，如对铸铁件和碳钢焊接件等的振动时效处理，效果比较明剧1 0 j 。然 而把振动时效应用于提高有色金属力学性能和降低、均化有色金属构件残余应力 研究的应用实例和文献比较少见，随着有色金属，尤其是铝合金在工程中的广泛 应用，这一领域的研究越来越引起人们的重视。本文试图通过对铝合金试样的试 验，来研究振动时效对铝合金材料中的影响，从而为振动时效这项技术应用于有 色金属领域提供试验依据。 1 4 本章小结 本课题从固溶与时效强化过程与振动消除残余应力过程的微观本质出发，通 过系统地分析振动对铝合金试样内部位错变化的影响及位错与铝合金试样经热 处理后析出相的交互作用，揭示热处理与振动处理相结合的强化方式能够大大缩 短时效时间、对铝合金力学性能提高、微观组织改变、降低和均化工件残余应力 的机理，并对经强化工艺处理的铝合金试样进行试验分析。揭示强化机理及相关 工艺的制定。这正是研究的目的。 a ) 从位错理论出发，通过分析振动过程中，金属内部的位错运动、增殖、 变化，深入理解和掌握位错的性质，分析振动消除残余应力的机理，使振动消除 残余应力、降低和均化残余应力的理论得到进一步完善。 b ) 了解热处理过程中铝合金材料的相变过程，主要是对时效析出原因、析 出过程以及析出效果进行分析或测定，并在此基础上结合振动时效理论，分析位 错与界面、第二相、点缺陷的相互作用，了解时效合金强度的提高来源于位错 析出相的交互作用，依据位错绕过不可变形颗粒的强化增量公式，在位错析出 第一章绪论 相作用的基础上说明振动时效与人工时效相结合的强化机理。 c ) 设计并制造出能够同时进行人工时效处理和振动时效处理的合金强化设 备。并对振动消除应力专家系统设备的振动参数进行分析，确定使振动效果达到 最好的工艺参数组合。 d ) 将只进行热处理的铝合金试样与同时进行热处理和振动处理的铝合金试 样进行性能对比，主要包括力学性能及金相组织。对照结果，分析振动强化机理。 本课题提出对铝合金强化更高效、更节能的新方法，对振动强化技术的推广 和进一步发展、扩大应用领域、更合理地应用合金强化工艺及充分发挥振动技术 优势有着重大的意义。 第二章振动时效机理分析 2 1 常温振动机理 第二章振动时效机理分析 对于振动过程的机理，国内外已经进行了大量的研究工作，取得了以下的共 识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力( 动应力。动) 。在振动过程中，施 加到金属构件各部分的动应力。动与内部残余应力。残叠加，当叠加幅值大于金属 构件的屈服极限o 。，即。动+ o 残o 。时，这些点晶格滑移，产生微小的塑性形 变，达到释放残余应力的目的【l l 】。从微观上看，只要温度在绝对零度以上，金属 原子始终处于运动中，由于残余应力的影响，这些原子处于不平衡运动状态。但 它们力求回复平衡位置，这就需要能量。振动时效就是给金属构件提供机械能， 使约束金属原子复位的残余应力释放，加快金属原子回复平衡位置的速度。金属 构件振动时吸收能量的速度比热时效和自然时效快得多，故效率高，节约能源。 o o l2 3 4 5 图2 - 1 等幅重复载荷下拉伸曲线 2 1 1 宏观机理( 基于应力应变机制解释振动机理) 振动时效宏观机理可以由金属在重复载荷作用下的应变变化规律得以解释： 金属材料进行反复拉伸试验时，后一次的屈服极限总比前一次高，即金属的加工 硬化等原因会造成金属屈服极限的逐渐提高。图2 - 1 为金属在等幅重复载荷作 用下的拉伸曲线示意图坦1 ，屈服极限的逐次提高使每次加载新产生的塑性变形逐 第二章振动时效机理分析 次减小，循环若干次后，则不再产生新的塑性变形。此即振动时效的静态模拟。 从这个过程我们可以看到：a ) 由于材料发生了一系列塑性变形，从而大大减小 了残余弹性应变( 若工件内原弹性应变为岛，则若干次循环后，弹性应变变为 晶一e 一岛一毛一) ，工件残余应力，即残余弹性应变与弹性模量乘积，数值势必 减小，即循环结果使工件残余应力下降。b ) 工件工作时，若工作应力不超过c r 0 ， 则工件将不产生塑性变形。即循环使工件尺寸稳定性较原先提高。 将试件放在材料试验机上，如果反复施以变幅递升载荷，记录每次塑性屈服 点，发现每次屈服点的应力值都比前一次高，其曲线示意图如图2 2 所示【l 引。 图2 2 变幅递升载荷下拉伸曲线 从振动消除残余应力的工作原理可知，振动相当于给工件施加一交变载荷， 图2 - 3 中表明材料受到定值应变的( 最大为s 。，最小为氏) 交变应力作用时的应 力应变关系曲线 1 4 】。现设应力交变前的残余应力为a ，回线a c b 是第一次应力交 变时的应力应变。当应力比a 点稍高时，将偏离弹性直线而出现塑性变形到c ， 并且c b 。平行于弹性线，而c b 末端却又由此而偏离，这是由于包辛格效应所造 成的，随后应力充分反复时，经过一定次数的循环，应力和应变将处于稳定的回 线上，图中回线c e 所表示的即为这种稳定的回线，此时的残余应力由a 到e 的变化是要受材料的应力应变曲线所表示的特征或作用应力影响的。 材料的应力应变特性解释了振动消除残余应力的过程，由上述宏观机理分析 还可以看到： a ) 要使构件残余应力下降，必须使作用应力与残余应力叠加后大于材料的 屈服极限。盯动+ 盯砖仃。； b ) 经一定次数循环后( 振动一定时间后) 残余应力下降，而屈服极限提高， 至作用应力与残余应力之和小于屈服极限时，工件将保持稳定的应力状态，此时 第二章振动时效机理分析 若继续施振已无多大效果，若要进一步降低残余应力，则必须加大作用应力。 弹警荷直线 弹性卸载荷直线 图2 3 交变载荷下应力应变曲线 2 1 2 微观机理( 基于位错运功和组织变化解释振动机理) 振动时效机理还可以从振动时金属内部组织的变化来予以解释：在循环应 力作用下，金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开通，局部较大残余 应力得以释放，同时，由于位错移动，导致晶粒破碎、细化，位错大量增殖并相 互缠绕，以至于给塞积的进一步开通带来越来越大的阻力，当阻力与振动应力和 残余应力的叠加相平衡，金属组织的细化和位错增殖停止，组织处于基本稳定状 态。 近2 0 年对不同金属材料进行循环应力试验发现。通常退火态金属表现为循环 硬化，而经各种强化处理后的金属则表现为循环软化，这与这两类材料的原始位 错密度密切相关。退火态金属以低位错密度为特征【15 1 ，对于多晶体金属材料，位 错密度约为1 0 1 1 1 0 1 2 m 2 ，而加工硬化的金属材料位错密度可达1 0 1 7 m 2 。这 两类材料在循环载荷的作用下所表现出不同的宏观性能特征，与它们在循环应力 过程中位错密度和组态的变化密切相关。在循环应力作用下金属材料所表现的宏 观特性中，不论是循环硬化、循环软化还是从亚稳定状态到稳定状态的应力 应变特性演变，都与过程中交变塑性变形的发生与发展有关，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已，或者说塑性变形过程实际是非完 整晶体中位错的运动和发展的过程，可见，研究振动时效过程中位错变化是振动 实效机理研究的理论基础。通过对位错运动、位错之间以及位错与其它点阵缺陷 之间的交互作用的研究，不仅有助于深入了解振动时效的机理，也有助于寻求位 a e o o o o 第二章振动时效机理分析 错形态与宏观性能之间的关系。 2 1 2 1 位错的萌生 在毫无位错的晶体中如何产生新的位错，这就是晶体萌生问题。除去精心制 造的细小晶须以外，几乎所有晶体都存在不少位错。甚至刚从熔化状态生长出来 的晶体中也存在数量达到1 0 4 c m 2 的位错。可以认为新生长出的晶体中的位错来 源主要有两个。第一个是位错本来就存在于籽晶或其它导致晶体生长的壁面中， 这些位错有一部分在晶体赖以生长的表面上露头，就扩展到成长着的新晶体中。 另一个是新晶体成长时的偶然性所造成的位错生核，其中包括：杂质颗粒等引起 的内应力所产生的不均匀生核；成长中的不同部分的表面( 如枝晶表面) 之间的碰 撞产生新的位错；空位片崩塌所造成的位错环。下面讨论其中的一些位错生核问 题。 a ) 空位生成位错 空位是晶体中的一种稳定缺陷，而且空位的浓度按指数规律随着温度的升高 而增加。因此，高温下的晶体中存在大量的空位。当晶体从高温冷却下来时，冷 却速度往往大于平衡冷却速度，晶体中保留了过饱和的空位。这些空位将沿一些 晶面凝聚，形成空位片。以面心立方晶体为例，密排面 1 1 1 具有最低的表面能， 故过饱和空位优先在那里凝聚。当空位片发展到足够大的尺寸时就会崩塌下来形 成位错环。图2 4 示意地表现了这一过程【l6 | 。不难看出，这样形成的位错环是一 个棱柱形的刃型位错。理论计算表明，尽管有过饱和空位，形成空位片也不是很 容易的。并不是任何地方都会发生空位凝聚成片，也就是说空位片的生成是不均 匀的。依靠均匀生核，空位片的生成是很慢的。因此，形成空位片进而形成位错 环需要有或者化学的或者力学的驱动力。 f l7 】 o c y z o o c y z o o o oo oo 0 0 0 ( 3 0o o 8 8 蹦8 8 器 o o o o o ( x ) o o o o o o o c b o oo o o o o o o o o o oo o o o o o o 图2 4 空位凝聚形成位错 b ) 应力集中形成位错 在周期性激振力f 驱动下，在晶体中产生新的位错圈所需的能量由下式确定 u ( 尺) ：2 蒯丝：一1 n 墨一z r r 2 f ( 2 1 ) 、7 4 7 r ( 1 - r ) 占 对( 2 1 ) 式求导，并令a u 历( r r ) = o 第二章振动时效机理分析 可得：足：。丛( 1 n 堡+ 1 ) ( 2 2 ) 4 x ( 1 一，) 、 s 。 其中是位错圈的临界半径。 能量的极大值相当于位错圈萌生的激活能 u c ：墼( 1 n 堡+ 1 ) ( 2 3 ) 4 x ( 1 一y ) 、 占 其中：u 。一萌生位错所需能量。 ，一泊松比。 一弹性模量。 a 一系数。 l k 一位错圈半径。 e 一位错芯半径。 在切应力f 的作用下形成半径为的位错圈。若u 。= 0 表示位错圈的自发 萌生。其r c = e b ，由r = 4 n 憨 ( 1( 1 n 譬“) 可估计出t 旦1 0 这是一个很高的值， 一，) 、 占 。 接近于晶体的理论强度，这表明位错萌生是一个很困难的过程。因此只有在局部 应力集中程度很高的区域才能生成位错，所以也是不均匀生核。 非均匀萌生可用棱柱挤压法来分析，当压头很有力的压在晶体的表面上时可 以萌生一系列的棱柱位错圈而形成压痕。作用在压头上的力p 所做的功等于生成 棱柱位错圈的能量和增加的表面能( 令表面能的系数为r ) 即：p b 堕l n 旦+ 加而( 2 4 ) 4 ( 1 一y ) b 其中d 为压头直径，如果压头直径很小，即局部正应力盯= 4 乡名：就会很 大。因而p 值无需太大就可以达到萌生位错所需的应力。这就是刮痕，表面损伤， 乃至灰尘的降落就足以在晶体表面附近萌生位错的原因。在晶体中，除去已经证 明可由快速冷却( 如淬火) 产生空位以外，还发现电子辐照、中子辐照、离子轰击 等也会引起点缺陷，从而也可能成为位错生核的因素。利用这一原理，在激振力 的作用下，依靠动应力和残余应力的叠加在应力集中处也能使晶体表面萌生大量 的位错，这就使原来毫无位错的金属晶体中产生了大量的位错。 2 1 2 2 在夕l j j n 应力下位错的增殖 尽管晶体中有一定量的原始位错，但晶体中原来处于滑移面上的位错数目不 第二章振动时效机理分析 多，不能足以解释在变形过程中大量滑移的产生。由于完整的晶体中产生位错所 需能量很高，只有在外加应力接近与金属晶体的理论屈服强度的情况下才能够实 现。因此必须有一可以在低应力下源源不断地产生应力的机制。最广泛的机制是 弗兰克一瑞得源。 使用弗兰克一瑞得源所需的临界分切应力c 取决于运转中的位错线的最大 曲率，当位错线成半圆形时，曲率为最大值。根据位错线所受的作用力与线张力 平衡条件 ”1 可求出 f ：望( 2 5 ) 2 瓦 。2 如果线张力近似取；加2 则= 竽 ( 2 6 ) 式中p 一弹性模量 b 一柏氏矢量 l _ 位错线长度 当外加动应力和残余应力叠加值达到并超过c 时，在晶体内部使夫兰克一瑞 得源开动，源源不断的产生出来新的位错，为晶体的滑移和塑性变形提供了必要 条件。如图2 5 所示最简单的一报位错线的运动模型9 】，晶体中的位错通常形成 三维的位错网络，有些位错部分分布在滑移面内，另一部分在其他面内。图中画 出了一个刃型位错a b c ，b c 段位于在滑移面内a b 段垂直滑移面，因而在与 滑移面平行的剪应力作用下，a b 段并