第一章 振動時效背景
一、振動時效技術應用
振動時效技術，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”,旨在 通過專業(yè)的振動時效設備，使被處理的工件產(chǎn)生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件的所有部位，使工件內部發(fā)生微觀的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎，從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化，最終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩(wěn)定性。
二、振動時效的特點
1. 時效效果好
2. 靈活性強
3. 徹底解決了熱時效爐窯的環(huán)境污染問題
4. 投資少
5. 節(jié)能顯著
6. 效率高
7. 特別時候不宜高溫時效的材料和零件的消除應力處理
表一 振動時效與熱時效特點比較
項目 |
熱時效 |
振動時效 |
應力消除 |
40－80％ |
30－90％ |
能源消耗 |
高 |
比熱時效節(jié)能95％ |
環(huán)境保護 |
有煙氣粉塵廢渣排放 |
無污染 |
尺寸穩(wěn)定性 |
較好 |
比熱時效提高30％以上 |
生產(chǎn)費用 |
150－300元/噸 |
4－10元/噸 |
時效周期 |
20－60小時 |
20－50分鐘 |
抗變形 |
較差 |
比熱時效提高30－75％ |
時效氧化 |
較大 |
可忽略不計 |
時效變形 |
有 |
無 |
大型工件 |
無法進爐處理 |
可方便就地處理 |
三、振動時效的由來及現(xiàn)狀
1. 由來及國外的應用情況
在工件的鑄造、焊接、鍛造、機械加工、熱處理、校直等制造過程中在工件的內部產(chǎn)生殘余應力，而殘余應力的存在 必然會導致一些不良的后果出現(xiàn)。
如：降低工件的實際承載能力而生裂紋；
易發(fā)生變形而影響工件的尺寸精度；
加速應力腐蝕；
降低工件的疲勞壽命等。
消除應力有：自然時效、熱時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、時效、循環(huán)加載時效等，雖然都有有缺點，但都在一定程度上達到消除和均化的目的。
振動時效源自于敲擊時效，在焊接中，施焊一段時間后立即用小錘對焊縫及周邊進行敲擊以防止裂紋產(chǎn)生，其原因就是隨時將焊接應力消除一些，以免最終產(chǎn)生較大的應力集中。
敲擊法能量有限，后來發(fā)現(xiàn)使工件產(chǎn)生共振時，可給工件出入最大的振動能力，從而于1915年在美國產(chǎn)生世界上第一臺關于振動消除殘余應力的專利。直到五十年代后期，電動機制造水平的提高，輕巧的振動時效設備陸續(xù)在美國、德國、英國、法國、蘇聯(lián)等國家出現(xiàn)，并不斷地被應用到機械制造業(yè)中，大量的實際應用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性。
2. 國內發(fā)展及現(xiàn)狀
國內發(fā)展較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩技術專家于74年出國考察，把技術帶回國內，并開始在機械部、航空部研究移植，并在“六五”期間在機械部提出攻關課題―――提高機床鑄件產(chǎn)品質量的大課題里面確定“振動時效可行性研究”。八五年機械部特批二萬五千美金與美國馬丁公司合作，引進當時世界上最先進的VSR－－790型振動時效設備及相關技術。
特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術時效設備要求》標準的誕生，使該技術得以較快的推廣和發(fā)展。
第二章 關于殘余應力
一、 殘余應力的分類
1.力相互作用或平衡范圍分類
2.金屬學分類
3. 應力產(chǎn)生的工藝過程分類：
鑄造殘余應力
焊接殘余應力
壓力加工殘余應力
切削加工殘余應力
熱時效殘余應力
鍍層殘余應力
表面硬化處理殘余應力
校直殘余應力等
4. 按引起殘余應力的工藝機構分類
5. 按物理學分類
6. 按應力存在時間的長短分類
二、殘余應力的機理
1. 由于機械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應力。
2. 由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產(chǎn)生的殘余應力。
3. 由于公差產(chǎn)生的殘余應力。
4. 還有由于化學變化等多種原因都可能產(chǎn)生殘余應力。
三、殘余應力對金屬構件的影響
1. 對金屬材料屈服極限的影響
2. 殘余應力對疲勞壽命的影響
3. 殘余應力對構件變形的影響
4. 殘余應力對金屬脆性破壞的影響
第三章消除殘余應力的方法
一、自然時效
自時效是通過把零件暴露于室外，經(jīng)過幾個月甚至幾年的時間，使其尺寸精度達到穩(wěn)定的一種方法。這種時效方法早已被普遍采用。大量的試驗研究和生產(chǎn)實踐證明，自然時效具有穩(wěn)定鑄件尺寸精度的良好效果。
二、熱時效
1.用的工藝方法就是進行消除應力的退火，這種方法的特點就是能夠大幅度的降低構件的殘余應力，尺寸精度穩(wěn)定。
構件加熱到400－700°C時，技術構件即具有相當?shù)膯涡?，同時具有明顯的塑性，這個溫度范圍稱為彈性轉變溫度。
2.影響熱時效效果的因素
a. 熱時效中，退火溫度是影響消除殘余應力效果的最重要因素。
b. 熱時效保溫時間
c. 熱時效升溫速度
d. 熱時效降溫速度
e. 熱時效爐的溫差
f. 工件在爐中的放置與支撐
三、靜態(tài)過載法
是以靜力或靜力矩的形式，暫時加載于構件上，并在這種載荷下保持一段時間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時效方法。
用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應力與附加應力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應力。
靜態(tài)過載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應力的大小及應力下保持時間。
特別指出，靜態(tài)過載法處理后構件中仍然保持著相當大的殘余應力。
四、熱沖擊時效法
1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時效工藝法。
其實質就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應力正好與殘余應力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始殘余應力很快松弛并穩(wěn)定化。
五、超聲波時效法
超聲波時效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達國家得到推廣，該方法起先主要應用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應力非常嚴格的軍事領域。
第四章 振動時效原理
一、振動時效的特點
振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力，當附加動應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內部的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩(wěn)定。
其特點有：
1. 投資少
2. 生產(chǎn)周期短
3. 使用方便
4. 適應性強
5. 節(jié)約能源，降低成本
6. 機械性能顯著提高
7. 符合環(huán)保要求
8. 操作簡單，易于實現(xiàn)機械自動化。
9. 可避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。
二、振動時效的機理
1. 從宏觀的角度分析，振動時效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無疑是導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。由振動時效的加載試驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。
2. 從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加的動應力。
3. 從錯位、晶格滑移等金屬學理論上解釋，其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（恢復平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態(tài)，使應力集中處的錯位得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應力的目的。
