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太原理工大学硕士研究生学位论文 超声振动时效机理分析及实验研究 摘要 经过冷热加工的金属零件中很容易产生残余应力和残余变形。为了消 除零件中的残余应力，目前主要利用自然时效、热时效来处理零件。但是， 自然时效的处理周期长、零件的存放等也需要占用较大的面积并且这种方 法不适应对零件进行大批量处理；而热时效则有能量消耗大、零件处理费 用高、容易使零件氧化及因受热不均匀而产生裂纹，并且在冷却时易因温 度控制不当而使零件产生新的应力，所以目前很多的机构都在研究振动时 效。目前研究的振动时效主要是频率低于2 0 0 h z 的低频振动，对于一些小 型的结构件而言，其固有频率很高，当构件共振频率超出低频激振器的激 振频率范围时，就无法对构件进行有效的振动时效处理。因此，本文致力 于使用超声振动对小型结构件进行应力消除。 本文共六章，主要内容如下： 第一章介绍了振动时效的目的和意义以及国内外的研究状况，并针对 现有的振动时效多是在低频范围内的振动，不能对固有频率较高的小型结 构件进行处理的情况，提出使用超声振动时效的方法，并提出本课题的研 究内容和方法。 第二章介绍了残余应力的分类和产生原因，阐述了残余应力的影响和 本质，对振动时效过程中材料内部的位错运动进行分析并由此解释其消除 残余应力的原理，进行了实验可行性分析。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章介绍了激振应力、激振频率、激振时间对振动效果的影响，分 析了其参数值的选择原则，并介绍了超声振动时效效果的判定依据。 第四章介绍了残余应力的基本测量原理及方法，并根据本课题所用的 实验杆件对具体的测量方法作了相应改动，针对实验中的待测信号是很小 的直流信号，而载波信号为一较高频率的交流信号的实际情况，提出并设 计一个巴特沃斯有源低通滤波器以滤去这一载波信号、提高信噪比，对测 量系统进行优化。 第五章搭建了超声振动系统，并对杆件进行预处理及不同时间的超声 振动时效处理，并用切缝法测量了应力释放时与应变对应的电压信号，对 所得数据进行了分析。并在前述章节的基础上，对超声振动时效消除变长 度杆件中的应力的可能性进行了理论分析。 第六章对本课题在实验中所遇到的问题进行了总结，并根据遇到的问 题给出了一些建议。 关键词：残余应力，应力测量，超声振动时效，激振时间 i i i 也s e a r c ho nu l t r a s o m c v i b r a t o r y s t r e s sr e l i e fa n de x p e r i n 吲t a bs t r a c t t h es u r f a c e 锄di n s i d eo fm e t a lw o r k p i e c e sw i l lp r o d u c er e s i d u a l s t l e s sa 1 1 d r e s i d u a ld e f i o m a t i o na r e rc o l do r h o tw o r k i n g a tp r e s e n t ，t h e m e t h o d so f e l i m i n a t i n gr e s i d u a ls t r e s sm a i n l yi n c l u d en a m r a ls t r e s sr e l i e f s r ) ，t h e h n a l s t r e s sr e l i e f ( t s r ) b u tt l l ep e r i o do fn s ri s1 0 n ga j l d t h e s p a c et o s t o r e w o r k p i e c e si s1 a r g e s oi ti sn o ts u i t a b l et op r o c e s s m a s sw o r k p i e c e s t h ee n e r g y c o n s u m p t i o na j l dc o s to ft s r i sh i 曲，t h ep a r t sa r ee a s yt oo x i d i z ea n dt on 删 b e c a u s eo fu n e v e nt e m p e r a “l r e b e s i d e s ，i ti se a s yt op r o d u c en e w s t r e s si nm e c o o l i n gp r o c e s s s om e r ea r em a n yp e o p l es t u d y i n gm ev i b r a t o 巧s t r e s sr e l i e f ( v s r ) b u tm ep r e s e n ts t u d ya b o u tv s rm a i n l y i s1 0 w1 j r e q v e n c yv i b r a t i o n 也a t 矗e q u e n c y i s1 e s sm 饥2 0 0 h z f o rs o m es m a l lw o r k p i e c e s ，t h e i rr e s o 彻n t 丘e q u e n c i e sa r eh i 曲肌e n t h ew o r k p i e c e s r e s o n a n t 矗e q u e n c i e sa r eb e y o n dm e 仔e q u e n c ym g eo ft h el o w - 仔e q u e n c ye x c i t e r ，也e v s rp r o c e s s i i l gf o r 吐1 e w o r k p i e c e sc a m l o tb ei m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra i m s t o e l i m i n a t em er e s i d u a ls t r e s so fs m a uw o r k p i e c e su s i n g u l t r a s o n i cv i b r a t i o n a g l i 培 t h ep 印e ri sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s ；t h em a i nc o m e m sa r e a sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，t h ep u 印o s e ，m es i g 皿f i c a n c ea n dm er e s e a r c hs i t u a t i o n s a t h o m e 肌da b r o a do nv s r 甜ei n t r o d u c e d b e c a u s em ee x i s t i n gv s r i sm o s t l y i i i w i t h i n 也es c 叩eo fm e l o w 矗e q u e n c y ， w h o s en a t u r a l 疔e q u e n c i e sa r el a r g e s oi tc a n n o td e a lw i t hs m a l lw o r k p i e c e s t h e r e f o r e ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f m e t h o di sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m s i nt h i sc h 印t e r ，t h er e s e a r c hc o n t e n t s a n dm e t h o d so ft h i st o p i ca r ea l s o p u tf 0 朋a r d i n c h a p t e rt w o ， t h ec l a s s i f i c a t i o n sa n dc a u s e s o fr e s i d u a ls t r e s sa r e i n t r o d u c e d ，m ei n f l u e n c ea n dn a t u r eo fr e s i d u a ls t r e s sa r ed e s c r i b e d ，t h em a t e r i a l i n t e m a ld i s l o c a t i o nm o t i o ni n u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns t r e s sr e l i e f p r o c e s s i s a n a l y z e da n dt h ep m c i p l eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o n s t r e s sr e l i e fi s e x p l a i n e d a c c o r d i n gt ot 1 1 ek n o w l e d g eo fe l a s t i c i t y ，t h ef e a s i b i l i t yo ft 1 1 e e x p e r i m e n ti s a n a l y z e d i nc h a p t e r 岫e e ，t h ei n f l u e n c eo f v i b r a t i o ns t r e s s ，v i b r a t i o n 行e q u e n c ya n d v i b r a t i o nt i m ef o rv i b r a t i o ne f f e c t i si m r o d u c e d ；m ep r m c i p l e so fs e l e c t i o no f t h e ma n dt h ee v a l u a t i o nb a s i sa b o u tt h e e f f e c to fu l t r a s o n i c v i b r a t i o na r e e x p o m l d e d i nc h 印t e rf o u r ，t 1 1 em e a s u r i n g p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fr e s i d u a ls t r e s sa r e i n t r o d u c e d ，a n dm em e a s u r e m e n tm e t h o d sa r em a d es o m ec h a n g e sa c c o r d i n g t o t h er o d s t h et e s t s i g n a l i sas m a l ld cs i g n a l ，a n dt h ec a r r i e rs i g n a l i sa h i 曲_ 仔e q u e n c ya cs i g n a l ，s oab 眦e 唧o n l la c t i v e1 0 w p a s sf i l t e ri sd e s i g l l e d t 。 f i l t e rm ec a r r i e rs i g n a l ，i m p o v et h es i g n a l t on o i s e r a t i o ( s n r ) a n do p t i m i z et h e m e a s u r i n gs y s t e m i nc h 印t e rf i v e ，t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mi s s e tu p ，a n dp r e 仃e a t m e n t a n dd i f f e r e n tt i m e so ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns t r e s s r e l i e fa r ea p p l i e do nt h e t 、， 太原理工大学硕士研究生学位论文 r o d s t h ev 0 1 t a g es i g n a l sw h e ns t r e s sr e l e a s e da r em e a s u r e db yk e r fm e t h o d ，a n d t h ed a t ai sa n a l y z e d b a s e do nm ep r e v i o u sc h 印t e r s ，m ep o s s i b i l i 够o fu s i n g u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns t r e s sr e l i e ft op r o c e s sr e s i d u a ls t r e s si 1 1c h a n g i n gl e n g m r o d si sa n a l y z e d ，t o o i nc h 印t e rs i x ，t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ee x p e r i m e n ta r es u m m a r i z e d ， a 1 1 ds o m es u g g e s t i o n sa r e p u tf o n v a r d k e yw o r d s ：r e s i d u a ls t r e s s ，s t r e s sm e a s u r e m e n t ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o n s t r e s sr e l i e v i b r a t i o nt i m e v ： 奎堕堡三奎堂堡圭堑窒生堂垡笙塞 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 超声振动时效的目的和意义 金属构件在冷、热加工过程中，由于构件形状、尺寸的不均匀性，其各部分会受到 不同温度和相变的作用，因此，构件的表面和构件内部会产生分布不均的残余应力及残 余变形，从而导致材料的各种物理性能产生变化，如使材料脆性变大，硬度增高，并且 切削加工性能降低，尺寸精度不稳定。残余应力的存在对构件常常会产生不利的影响 u ，2 3 j ，因此，残余应力的消除和均化是一项亟需解决的问题。 为了消除残余应力，稳定构件的尺寸精度，通常采用热时效和自然时效的方法对构 件进行处理。 自然时效( n s r ) 是将金属构件在露天条件下放置较长时期( 一般情况下放置时间 为半年至一年左右) ，利用昼夜温差和环境中各种各样的振动，使金属构件发生较为缓 慢而微小的收缩及膨胀、在长期作用情况下使构件中的残余应力得到释放。自然时效降 低的残余应力不很多，但能够使构件的松弛刚度增加，尺寸稳定性增强，且不需要对构 件进行复杂的操作。但是，自然时效( n s r ) 的处理周期长，效率低，占地面积大，以 致生产成本增加，仅适应长期单一品种的批量生产，在目前的生产应用中使用较少，面 临着被淘汰的可能1 4 ，5 j 。 热时效( t s r ) 工艺是目前采用较多的消除应力的方法，是将零件在加热炉中缓慢 加热至一定温度，保温若干小时，然后控制降温至一定温度，以达到降低和均化残余应 力的目的，在严格按照要求操作时，其时效效果很好。但热时效存在的问题很多：热时 效需要专用的加热炉，辅助设备多，炉温不易控制均匀，投资大、能耗大、处理费用高、 效率低、污染环境、且容易使零件氧化及因受热不均匀而产生裂纹，并且在冷却时易因 温度控制不当而使零件产生新的应力【6 1 。目前在许多工厂热时效已被振动时效代替。 振动时效被称为v s r m b r a t o u s t r e s sr e l i e f ) 技术，就是用振动的方法对有残余应力 的工件施加循环载荷，使工件产生塑性变形，从而使残余应力得到释放，工件的尺寸得 以稳定。根据激振频率的大小，可以将振动时效技术分为低频振动时效、高频振动时效 和超声振动时效。 低频振动时效由可调速的电机和偏心机构为整个振动系统提供激振力。激振器的激 太原理工大学硕士研究生学位论文 振频率和可调范围由电机的转速及转速的可调幅度决定。使用时，可根据工件的具体情 况对激振力和激振频率的大小进行调节。根据具体的待处理工件，将激振力调整到合适 的强度，然后再将激振频率调整到工件的固有频率附近，使工件发生共振，以获得最好 的处理效果。 高频激振是浙江大学课题组提出的机械振动频率大于1 k h z 的振动，实验设备由高 频超磁致伸缩激振器、功率放大器、波形卡、加速度传感器、放大器和高频数字示波器 等组成。系统作用的过程有两步骤：首先是找到工件的共振频率、然后在亚共振点处进 行振动时效处理。 。 超声振动时效则是利用超声电源、超声换能器、超声变幅器等设备组成的振动频率 在超声范围内( 大于1 6 k h z ) 的时效技术。换能器将电能转换成振动形式的机械能，然 后通过变幅器将振幅放大，从而能够给带有残余应力的工件施加激振力，该激振力和工 件内的残余应力叠加达到材料的屈服极限使工件发生塑性变形，以消除工件内的残余应 力。 振动时效是在自然时效和热时效不能更好的适应生产情况下发展起来的，目前在很 多工厂的产品去除应力过程中都以其代替了自然时效和热时效。 振动时效有很多优点： ( 1 ) 使用方便。振动时效( 不论是低频、高频或超声频) 的设备体积都比较小，可 以很方便地带到现场，并且其使用基本上不受场地的限制，所以，振动时效适应性较强， 使用方便。 ( 2 ) 能耗及成本低。在构件的共振频率附近进行时效处理，可以以最小的能耗获得 最好的处理效果。实际生产经验显示，功率为一千多瓦的机械激振器在对1 5 0 吨以下的 构件进行振动时效处理时，经估算得知，其能耗还不到热时效的5 ，成本不到热时效 的1 0 。 ( 3 ) 周期短。振动时效周期较短，一般情况下只需数十分钟( 或一到两个小时) ，而 且振动时效设备体积小，可以很方便地在现场进行时效处理，这就省去了工件的运输时 间。 ( 4 ) 投资少。自然时效和热时效由于条件限制，均需要占用较多的土地，而振动时 效则可使占地面积大幅减少，同时还可减少在设备方面的大量投资。目前，振动时效已 经在大型焊接件、超重型铸件或大型桥梁等构件或设备上得到了广泛的应用。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 振动时效在国内外的研究状况 1 2 1 国外的研究状况 为了更好的消除残余应力，国外很早就开始了对振动时效的研究。2 0 世纪6 0 年代 初，b m e r 等人以钢铸件和焊接件作为实验对象，对振动时效展开研究，其研究结果显 示：当振动时效产生的动应力接近钢的疲劳强度时，钢结构件中的残余应力可以消除 8 0 。如果振动时效的激振力过大，可能会对构件造成破坏，a d o y a n 【7 】等人则利用退火 和振动时效相结合的方法解决了这一问题。l o k s h i n 对带有残余应力的铝铸环进行振动 时效研究，结果显示，铝铸环中的残余应力消除了7 0 【8 】。 英国某公司生产的大型精密机床，经振动时效处理后，不仅使床身与立柱的精度达 到了要求，而且提高了生产效率，因此，现在该公司已将振动时效作为该产品的标准工 艺【9 】。美国某公司对一千多吨重的海洋铁塔和钻井平台也以振动时效技术代替传统的热 时效进行去应力处理【l0 1 。现在有几十家机床厂和锻压设备厂都是把振动消除残余应力作 为标准的生产工艺。 振动时效技术在美、英等发达国家的其它行业也被大量使用，如造纸机械厂、纺织 机械厂等都应用振动时效技术来消除构件的残余应力。现在很多国家都在对振动时效技 术进行研究并把振动时效技术定为一些结构件必须使用的工艺1 1 。 1 2 2 国内的研究状况 自从振动时效技术在2 0 世纪7 0 年代被引入到我国，一直受到国家的重视，国内也 有研究者对此技术进行了大量而卓有成效的研究。2 0 世纪7 0 年代初北京机床研究所对 振动时效展开研究，并将尺寸精度稳定性确定为振动时效效果的评判标准，与此同时， 他们也对残余应力的变化以及构件的抗变形能力进行了对比性评价。大连工学院利用振 动时效对焊接构件进行了处理，然后对材料性能进行了研究【1 2 】，研究结果显示：经振动 时效处理后，构件的机械性能与抗断裂破坏能力比未经振动时效处理的有很大提高。现 在国内有很多家厂家已经将振动时效作为一些工件的标准工艺，振动时效在这些厂家起 着重要的作用。 ( 1 ) 机床上的应用： 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表卜1 机床床身热时效与振动时效残余应力的比较【1 3 】 r 出1 一lc o m p a d s o no f r e s i d u a ls 臼e s sb e t 、) 陀e nm a c h i n et 0 0 1 sp r o c e s s e db yt s ra n dv s r 距焊缝垂直距离m m 1 0 2 03 04 0 热时效后 1 7 0 61 0 0 o4 2 26 3 7 应力m p a 振动时效后 3 1 42 8 44 91 3 7 表卜22 4 0 机床横梁热时效后的残余应力【1 3 】 见l b 1 2r e s i d u a ls 口e s so f b e 锄o f m a c h i n ep r d c e s s e db yt s r 距焊缝水平距离m m 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 应力热时效后 1 1 1 87 1 63 3 31 6 5 71 8 0 41 7 2 6 瓜口a 振动时效后 1 6 3 81 0 3 03 9 21 4 8 11 5 4 01 7 9 5 精密机床对尺寸稳定性的要求很高，北京某工艺研究所每年生产的组合机床，在热 加工和粗加工后都要对其进行振动时效处理，由此可见，振动时效在机床的实际生产中 起着重要作用。 ( 2 ) 化工设备领域：以前很多构件需要消除应力，但由于构件的体积等各种因素的 限制无法用热时效处理。现在利用振动时效技术就能够很好地进行消除应力处理，为设 备的安全使用提供了有效的保障。振动时效由于其设备简单、操作方便，可对结构复杂 的构件进行处理，因此，在化工行业也得到了广泛应用 1 4 】。 ( 3 ) 出口产品：很多国外客户对我国产品要求使用振动时效工艺，如美国某公司在 大连橡胶厂定制的设备要求用振动时效来消除应力【l l 】，国外某厂家要求定制的电机壳 要使用振动时效工艺。这类客户的要求都直接或间接地推动了振动时效在我国的发展。 1 3 振动时效在国内外的研究动态及存在的问题 目前，虽然振动时效技术在建筑领域、铝合金试件、风机制造、化工设备领域等方 面都得到了大量应用，但在目前的研究中依旧存在很多问题，总结起来有以下几方面： ( 1 ) 机理研究不足。在对振动时效研究的过程中，目前评估振动时效效果的方法不 具有一般的理论基础，在应用中带有一定的经验性。激振频率、激振时间、激振力的大 小等参数都只能根据待处理构件的大小、形状等靠经验来确定。 ( 2 ) 残余应力大多数情况下是有害的，而且目前对振动时效的研究都是以消除残余 应力为目的的，而在实际应用中，有时需要保留有益的残余应力【1 5 ，16 1 ，因此，对如何减 少振动时效对有利残余应力的影响仍需迸一步研究。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 激振频率仅限于低频振动。现有的振动时效频率大都在2 0 0 h z 以下。文献【l7 j 中 提到了振动技术，能够有效消除构件的残余应力，但是其采用的是激振频率为4 8 h z 和 5 8 h z ，属低频振动，对高频、超声振动没有提及，对固有频率较高的构件无法很好的进 行振动处理。 ( 4 ) 仿真研究较少。实际的振动时效牵涉到材料各种性能的变化( 涉及到几何非线 性及材料非线性等问题) 和参数的变化，是一个很复杂的过程。因此，借助有限元来模 拟振动时效不仅能提高效率，降低研究成本，是一种很好的研究方法，但这也将是非常 困难的事情，目前关于这方面的研究还不多见。 ( 5 ) 对大型和微型构件的研究不多。由于大型构件的结构复杂，从而导致应力分布 也很不均匀，振动时效时在不同的位置应力的消除量不同；而微型构件，则又因为其固 有频率较高，目前常见的低频激振器无法满足其较高的激振频率要求。 ( 6 ) 振动时效的评判方法尚不成熟。现在使用的判定方法主要有：残余应力测量法、 参数曲线评定法和精度稳定性检测法【1 8 倒，但是它们都存在自己的不足之处，对振动时 效的效果还不能做到可靠、便捷、实时的测评；激振频率、激振时间、激振力、激振点 等参数的选择没有定量化，对于一些形状规则的构件，人们研究相对较多，对于参数的 选择也有较为相同的看法，但是对于不规则的研究却很少，对于参数的选择也都是凭个 人的经验来确定的。 1 4 本文的主要研究内容、目标、对象和方法 1 4 1 研究内容 研究超声振动时效( 主要是激振时间) 对残余应力的影响。 内容一： 对测量系统进行优化，提高其信噪比。 内容二： ( 1 ) 研究激振时间对半波长( 超声波在杆件中传播时的半波长) 等截面圆杆中应力 的影响； ( 2 ) 研究激振时间对半波长矩形等截面杆件中应力的影响； 内容三： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 研究超声振动时效消除等截面圆杆件中不同位置的应力的可能性。 1 4 2 研究目标 分别以半波长等截面圆杆、半波长等截面矩形杆及全波长等截面圆杆为研究试件进 行原理性实验，初步得出超声振动时效激振时间对消除残余应力的影响。 1 4 3 研究对象 研究对象：半波长圆截面杆( 直径1 2 n u n ) 、半波长矩形截面杆( 截面尺寸：1 6 1 0 ) 、 全波长圆截面杆； 试件材料：4 5 号钢； 试件状态：在中点处压弯2 z 衄的半波长杆件及未压弯的全波长杆件； 1 4 4 研究方法 ( 1 ) 根据纵波在杆件中传播时杆件的位移方程和设计频率，计算出半波长杆件的长 度； ( 2 ) 分别将8 个半波长杆件放在压力机的v 形块上，在杆件中点处将其压弯2 m m ， 使其发生不均匀塑性变形，产生残余应力，以模拟生产中零件的应力情况。 ( 3 ) 将上述杆件分别作不同时间的超声振动时效处理。 ( 4 ) 待杆件放置一定时间后，将应变片贴在杆件中应力最大处，并将其和应变仪， 数据采集卡等测量系统联接起来，进行信号的测量，然后将经过振动不同时间的杆件和 其中未振动的杆件作对比，观察其应力的释放情况，从而得出不同的超声振动时效时间 对消除应力的影响。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章残余应力及超声振动时效机理分析 2 1 残余应力的分类和产生原因 2 1 1 残余应力的分类 残余应力是当没有外力作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力，称为固有应力 或初始应力，残余应力属于固有应力的一种。残余应力的分类如下： ( 1 ) 按残余应力相互作用范围的大小，可分为宏观残余应力和微观残余应力； ( 2 ) 考虑到材料的组织和残余应力产生的原因，可分为体积应力和组织应力 2 3 】或嵌 镶应力口4 1 。 2 1 2 残余应力的产生原因 ( 1 ) 机械加工引起的残余应力 下面用力学模型来分析残余应力的产生过程。 如图2 一l ( a ) 所示，当一均匀截面梁受纯弯曲作用且上下表面发生塑性变形时，n o 部 分处于弹性状态，而眦部分则已经发生了塑性变形，梁中各层沿横截面的应变分布情 况如图中a a 所示。 当去除外载荷后，梁的弹性变形随之得到恢复，梁上各处的应变得以释放。但从m 至n 点的各层已发生塑性变形，记梁上m 点发生的塑性应变为t ，则当m m 截面上各 点的应变恢复到b n o n b 时，截面上的应力将全部不再存在。应变在梁截面上的分布是 线性分布，并且以中性层为坐标原点，所以当梁的上表面的应变值从6 。降到t 时，截面 内各点仍存在不平衡的弹性应变，如b o n 所示，因此梁的变形恢复将继续进行，并使 得表面以下的一定深度内出现压应变，如b p c 所示。此时梁的内部应力分布状况如图 2 1 图( b ) 所示。当对o 点的力矩为零并且应力在梁的轴向和为零时，截面达到平衡 状态。此时应力沿截面各点达到了正负相间的自相平衡，此时的应力即为残余应力。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 mcb t a n碰，彳 ：， m 妙 m 。励 r o n a b c m 。 妒 卜p “ o n 冬 m 图2 1 弹塑性梁残余应力的产生 f i g 2 1g e n e r a t i o no f r e s i d u a ls 仃e s so f e l a s t i c - p l a s t i cb e 锄 由上述分析可知，当构件受到一定的外加载荷时，发生局部塑性变形，载荷卸去后， 塑性变形的部分限制了其附近部分变形的恢复，两部分间的作用使得在构件内部产生了 应力场，从而导致构件出现残余应力。目前在很多加工工艺中( 如冷弯、冷拔、切削、 锻压等) 都会出现这种由局部塑性变形引起的残余应力，而这类残余应力有时是很大的， 其对构件的尺寸稳定性往往也有很大的影响。 ( 2 ) 构件尺寸公差引起的残余应力 在焊接或铆接时经常有公差配合问题。如对接船体时，需要把对接钢板拉到一起。 当外力去除后，系统就会出现残余应力。这类应力很多情况下处于弹性应力状态，一般 属于结构应力。 ( 3 ) 温度不均匀引起的残余应力 这类残余应力的产生主要有两种原因：一是相变时，构件内部各部分的体积膨胀程 度不尽相同，从而在构件内产生局部塑性变形；二是由于有些构件的结构较为复杂，结 构受热和冷却的的速度不同，造成构件局部热塑性变形。 构件上残余应力的分布状态是各种原因产生的残余应力的共同作用的结果，因此它 的分布规律具有很大的不确定性，这也给残余应力的测量和研究带来很大的困难。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 残余应力的影响 残余应力会引起加工后的零件变形和裂纹等缺陷的产生，此外，各种零件加工或热 处理后所产生的残余应力对零件的疲劳破坏、应力腐蚀、脆性破坏和对结构件的静强度 的稳定性等也都有极大影响。在考虑这些残余应力的影响时，一般是以宏观的残余应力 为对象，但有时也必须进一步研究微观残余应力的情况。 2 2 1 残余应力对静强度和变形的影响 有残余应力的零件受外加负载时，外加载荷和残余应力的状况会对零件的变形产生 影响，卸载后，残余应力也会发生变化，这个过程最简单的例子如图2 2 所示。方格状 的零件的截面a 、b 、c 上有如图2 2 ( a ) 所示的残余应力，在此零件加以拉力p ，截面 a 就呈现拉伸残余应力状态。在铸造或焊接时就是以相互作用或束缚应力的状态出现。 因此，来研究一下加拉力时各截面的变形。假定材料是理想的塑性体，就能具有如 图2 。2 ( c ) 、( d ) 所示的应力应变曲线。图2 2 ( c ) 表示截面a 的变形，( d ) 表示截面b 、 c 的变形。在上述各种情况下，图中的o 点表示负载为零时各自的残余应力。图( e ) 表 示整体上外加负载和延伸率的关系。当加载到l 的状态时，中间截面a 达到屈服应力。 当加载到2 时，中间截面a 呈塑性状态，而b 、c 呈弹性状态。当加载到3 时，则两者 全部达到了塑性状态。因此，作为整体的变形就有如图( e ) 所示的1 、2 、3 的状态， 形成曲线i i 所示的那种变形过程。 从这样的状态卸载，残余应力就会减少乃至释放口5 1 。图( b ) 是从2 的状态下卸载 时的残余应力。 对于具有此例所示残余应力的塑性材料，当加载到3 以后的状态时整个断面都成为 塑性状态之后，由此直至材料破坏的行为与不具有残余应力的杆件是一样的，可以认为 残余应力没有影响。也就是说，对于塑性材料，残余应力的影响只是在全断面达到塑性 变形之前的那一段变形中才存在( 然而经热处理而硬化了的材料，这种影响在塑性区仍 有残存) 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 。 i 1 ”一 j 毯 7q 厂|。 、 应变 应 | | | q | - jj 搭 疆 口 璺 止h ( c )( d ) 延伸率 ( a ) 加载前的残余应力 ( b ) 加载后的残余应力 ( c ) 中间部分的应力应变曲线 ( d ) 两侧部分的应力应变曲线 ( e ) 整体的负载一延伸率曲线 图2 2 外加负载时残余应力的变化和变形 f i g 2 - 2v 矾a t i o na 1 1 dd e f o m 以0 no f r e s i d u a ls 仃e s su n d e r 也ea c t i o no fp l u sl o a d 2 2 2 残余应力对疲劳的影响 ( 1 ) 冷加工下产生的残余应力对疲劳强度的影响 一般在塑性拉伸时从构件外表到内部残余应力是梯度分布的，这时外表的残余压应 力的大小和疲劳极限的大小具有良好的对应关系，当只对构件的表面进行冷轧处理时， 构件外表面的残余应力会使疲劳极限提高。 校直线材时，线材内要产生剪切残余应力。研究人员研究了经校直过的锌白铜线材 1 0 ，氧 坦 + ，辑 出 太原理工大学硕士研究生学位论文 施以弯曲循环时其剪切残余应力对疲劳强度的影响，校直后的残余应力分布较为特殊， 它很易在截面接近心部的地方成为很大的残余应力，像夹层那样的分布。这种类型的的 残余应力，在应力振幅较高的情况下，残余应力分布的不同对构件的疲劳强度没有影响， 而低应力振幅时，则是有影响的。 ( 2 ) 热处理型残余应力的影响 b u l l l e r ，b v c h o l e 将0 3 o 6 c 圆钢棒从6 0 0 急冷，然后测量试样的残余应力和疲 劳强度的关系。结果显示，构件外表部的残余压应力会使材料的疲劳极限增加。而对硬 度为r = 5 0 6 0 材料调质后试样的残余应力和疲劳强度的关系的结果表明，压缩残余应力 对疲劳强度有明显的影响。 2 2 3 残余应力对结构件尺寸稳定性的影响 当构件内部的组织处于较为稳定的状态时，影响构件尺寸稳定的因素主要是残余应 力的松弛；而当构件内部组织处于不太稳定的状态时，影响构件尺寸稳定的因素除了构 件内部的残余应力松弛外，还有其内部不稳定组织发生变化而产生的影响，这两个因素 在作用的过程中互相促进，从而导致构件的尺寸发生变化。在一般情况下，减少零件中 的宏观残余应力有助于提高尺寸稳定性【2 6 】，而这对构件或一些较为精密的机器也是非 常重要的，如机床床身和高精度仪器的机架，一般都是灰铸铁类的铸件，在使用的过程 中，常常会出现不可逆的变形，对机器的精度造成很大的影响。 2 3 残余应力的力学模型 如下图2 3 所示，是残余应力的力学模型。设有三个弹簧，其中( a ) 为自由状态，( b ) 为刚性板将三根弹簧的上下两端连接起来的状态。 设各弹簧在不受外力的条件下的长度分别为l 1 ，l 2 ，l 3 、弹性常数分别为a 1 ，a 2 ， a 3 ，用刚性板将其连接后，三根弹簧的长度均变成l ，也即三根弹簧均发生了变形，所 以，在弹簧内部都受到力的作用，根据弹簧的长度、弹性常数等参数，可以求得每个弹 簧上的所受到的作用力，它们分别是p l = a l 皿l 1 ) ；p 2 = a 2 ( l - l 2 ) ；p 3 = a 3 ( l - l 3 ) 。 并且三者满足p 1 + p 2 + p 3 = o 。此处p l ，p 2 ，p 3 相当于残余应力。其产生过程可通过用图 2 4 来说明。假设一个物体在没有受到外加载荷的作用时，在它的内部有一区域( 可记 太原理工大学硕士研究生学位论文 l l a l ( a ) a 2 l 蜃 ( b ) 图2 3 残余应力弹簧模型 f i g 2 3s p r i n gm ( i d e lo fr e s i d u a ls t r e s s 为r ) ，从中取出一方形区域a ，将任意形式的外载荷施加在a 上，以使a 在形状或体 积上产生变化，从而变成b 的形状。假如要将b 重新变回( a ) 中a 的状态，使其能够再 放入r 内，就需要从b 的侧面施加载荷令其发生变形，使物体在这一区域附近产生应 力场，于是物体内部便出现残余应力。 囚一妒辑 ( a )( b ) ( c ) 图2 4 残余应力产生过程示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd ra _ w i n go fr e s i d u a ls 仃e s sp r o d u c ep r o c e s s 2 4 残余应力的消除本质 大多数构件和结构体的损坏，与其内部的残余应力有关。残余应力既影响构件 的静强度和疲劳强度、脆性破坏和应力腐蚀裂纹等其它破坏强度，也影响构件在制造时 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 和制造后的尺寸稳定性。具有残余应力的构件，在二次加工时就会出现歪扭等现象，产 生尺寸精度变化。在构件的生产或工作过程中，几乎每个环节都会产生残余应力，因此， 必须采取相应的措施来消除构件中的残余应力。 塑性变形在引起金属的外部形状发生改变的同时，还会导致金属的内部组织结构发 生不均匀的变化，而这将会使金属内部产生弹性变形，而弹性变形部分和塑性变形部分 的相互作用将会导致构件内部出现残余应力。金属在发生塑性变形时，外力对其所做的 功，大多数都会转变成热能，而另外的小部分会以畸变能的形式存在，残余应力就是点 阵畸变的一种表现形式【2 7 1 ，也可认为残余应力的本质是晶格畸变，而大多数的晶格畸变 是由位错引起的。 由以上分析可知，可以用两种方法来消除金属构件的残余应力。一是使金属原子获 得能量以能够回到平衡位置，减少晶格畸变，也就减少了残余应力；另一种方法是增大 构件内部总的应力，使其大于材料的屈服极限，从而导致构件内部发生塑性屈服，使残 余应力得以降低。消除残余应力的条件可总结为下式 即： 盯， 盯。( 2 1 ) 其中：听为构件内部应力，o 。为材料屈服极限。 2 5 低频振动时效机理分析 2 5 1 振动时效消除残余应力的宏观机理分析 材料力学里有一个实验：把试件放置好之后，对其反复施加变幅递增载荷，记下每 次塑性屈服点，发现每次塑性屈服点的应力值都比前一次有所增加，如图2 5 所示。如 图2 6 所示，若限制载荷幅值，然后对试件反复施载，那么将会发现由于每次塑性屈服 点都会有所提高，新的塑性变形量也会相应地减少。在若干次的重复后，将不会再有新 的塑性变形发生，此时，载荷的继续作用对试件的尺寸不再产生影响，另外，试件发生 塑性屈服使构件内弹性变形量减少，释放了部分残余应力。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 0 o 0 0 图2 5 变幅荷载拉伸曲线图2 6 等幅荷载拉伸曲线 f i g 2 5t e n s i l ec u r v eo f v a r i a b l ea l p l d el o a d f i g 2 - 6t e n s i l ec u n ，eo f c o n s t 趴t 锄p l i t u d el o a d 振动相当于给工件施加了一交变载荷，在原理上与疲劳情况一样，要考虑在交变应 力作用下残余应力的稳定性。当构件受到交变应力作用时，材料发生塑性变形从而使残 余应力松弛【2 8 ，2 9 1 。由图2 7 可知，材料中残余应力的变化过程如下【2 9 ，3 0 】：材料受到应变 值为( b 立c ) 的交变应力的作用，当对构件第一次施加交变应力时，其应力应变状况 如回线a c d b 所示。当应力高于a 点时，将发生塑性变形，直至c 而偏离弹性直线， 同时，包申格效应将使c d 平行于弹性线，d b 却由此而偏离。在应力充分反复时，应 力和应变将因为宏观疲劳裂纹不能在材料扩展的限度内而处于稳定的回线上( 如 c e b e c 所示) 。残余应力由啾( 交变应力作用前的残余应力，即初始残余应力) 到o e 不再变化，这时的残余应力由a 到e 的变化是要受材料的应力应变曲线所表示的特征 或作用应力的影响【3 0 1 。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 j ，- 弹性载荷直线 应力o ，一 c t o a 椭a 7 多r 稳定状态的滞后损 唧彩一 耗曲线 乃绂 o b 、 b ” 弹性卸载荷 应变 直线 b “ c 图2 7 交变应力下的应力和应变 f i g 2 7s 仃e s s 锄ds 仃a i l lu i l d e r 龇a c t i o no fa l t e m a t 崦s 仃e s s 由上述分析可知： ( 1 ) 若要减小或消除构件中的残余应力，必须满足以下条件，即： 盯残+ 吧 ( 2 2 ) 其中：6 残为材料内部残余应力，o 动为外加动应力，瓯为材料的屈服极限。 ( 2 ) 经过一定时间的振动后，残余应力将会由于构件发生塑性屈服而下降，随着残 余应力减少到一定程度，构件内的应力会达到一个新的平衡，使构件尺寸更加稳定。 ( 3 ) 随着振动的进行，o 残会不断的减小，若要继续消除。残，就需增大。动的值，否 则，对构件的后续振动将不会有效果。 2 5 2 振动时效消除残余应力的微观机理分析 塑性变形的过程就是有缺陷的晶格内位错的运动及发展的过程。位错及其运动对于 晶体的塑性变形有着重要的意义。 当外加动应力与位错塞积群形成的集中应力之和超过材料的临界切应力时，位错塞 积群就会开通，材料内部将发生微观塑性变形，使残余应力释放，材料内部的组织将发 生较大的变化，性能也将受到较大的影响。晶粒的内部结构发生如下变化：材料塑性变 形时，晶体