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振動時效消除金屬結構件應力實驗

時間：2014-9-23 發(fā)布：振動時效

振動處理的主要作用是降低和均化構件中的殘余應力。因此，殘余應力對金屬構件機械性能的影響，通過振動時效處理都可以得到消除或降低。這也是振動處理技術能夠得到廣泛應用并進一不擴大其適用范圍的依據。

振動處理對金屬材料力學性能的影響

一、金屬材料的抗拉性能試驗結果

下表為非合金結構鋼和碳素鋼焊接試樣在未經任何處理、振動處理及熱處理三種工況后的抗拉試驗結果，表明振動處理基本上不改變材料的抗拉性能。

表1 試樣抗拉性能試驗

鋼	處理方式	屈服點Ơs（MPa）	抗拉強度Ơь（MPa)	延伸率δ（％)
普通結構鋼	不處理振動處理退火	331.47 327.55 231.44	517.81 506.04 448.18	25.5 24.0 33.0
碳素鋼（0.4—0.5％c）	不處理振動處理退火	461.91 472.69 301.07	675.70 686.49 557.04	13.0 14.5 18.5

而熱時效的試樣其屈服強度和抗拉強度值均下降。下面做個試驗。用16 Mn 鋼材，制備三組焊接試樣：其中一組未經任何處理；一組做了熱時效處理，處理條件按JB741---80《鋼制焊接壓力容器技術條件》規(guī)定工藝進行；另一組采用振動時效，其激振應力為σ動=98.07MPa。

實驗結果見表2與表 1數據相比說明兩次實驗結果基本一致，所不同的是表1中給出的結果是熱處理后的屈服強度與抗拉強度均下將，而表6中的結果是沒有變化，這是與處理工藝有關。但振動時效不改變材料抗拉性能這一點是一致的。

表2 16Mn鋼材試樣抗拉性能試驗

性能工況	σs（MPa）	σb（MPa)	б（％)	ψ（％)	Ε（GMP)	µ
不處理	391.30	544.09	18.50	73.00	209.8	0.30
振動時效	392.28	549.19	18.50	74.00	204.9	0.28
熱處理	392.28	544.29	19.60	71.00	209.8	0.26

二、材料斷裂韌性的測試和分析

制備標準三點彎曲試樣，仍然按上述三種情況處理。用多試樣阻力曲線法測試材料Jic值，利用計算機控制停機點并計算結果，見圖1。圖中每條曲線為三組試樣的均值，每組試樣有效點不少于5個。

將圖1中所得的臨界J積分值Jic利用公式

從結果看出，用振動時效處理的材料斷裂韌性比未時效處理的提高10％，根據斷裂力學理論可知，斷裂安全的判據為：

三、振動處理對材料疲勞極限的影響

振動處理對材料疲勞性能的影響是個有爭議的問題。這也影響了振動處理技術在承受疲勞荷裁構件上或壓力容器上的應用。近年來許多研究人員做了大量的實驗，結果是令人滿意的，并且也是重要的。

實驗采用兩種不同方式處理的試樣：（1）焊后未做任何處理。（2）焊后振動消除應力。

試樣是在同一塊板料上切取毛坯，按照同樣的工藝對焊，然后切取試樣加工。制備上述兩種試樣各一組（10根），其中振動時效采用二分之一荷載法（參下表）。板梁殘余應力測試數據表

片號	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
應變值	697	-220	657	-117	673	-155	690	-120	670	-165

試樣尺寸如圖2所示。

為了說明焊接產生的殘余應力，分別對兩種試件進行了測試：選標距為1mm的單向電阻應變片貼在試件上表面的焊縫區(qū)內，如圖3所示。沿A—A刻面切開同時測量釋放應變，計算出的殘余應力見表3。從表中可見振動處理的試驗件其殘余應力下降幅度為59.50％。

表3 殘余應力測試結果

處理方法	εx （×10ˉ6）	εy（×10ˉ6)	σx（×10MPa)	σy（×10MPa)
未處理	-1226	127	27.41	5.56
振動處理	-535	179	11.11	-0.43

振動時效處理參數依據二分之一荷載法來確定，即荷載幅值為疲勞荷載幅值的二分之一，而最小值與疲勞荷載的最小值相等。所以振動處理的參數為：荷載：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf；頻率：200Hz；周數：7.5×106。

實驗方式為三點彎曲疲勞試驗，在2噸高頻試驗機上進行，保持應力比為γ=0.3。試驗數據見表4，圖4為由表4數據得到的S—N曲線。從曲線上可見，經振動處理的試件其S—N曲線明顯高于未處理件，二者的疲勞極限分別為442MPa和424MPa，提高5％。

振動處理可以提高金屬材料的疲勞極限已被實驗驗證。但是提高的比例大小，是與試件的初始狀態(tài)有關的，如果初始殘余應力大，則因振動處理后殘余應力消除的比例大而提高疲勞極限的比例也大。可是要在標準試件上產生較大的殘余應力，相對于結構件來說是困難的。因此，用振動處理提高材料疲勞極限的比例，與用振動處理提高構件疲勞壽命的比例是不同的。

表4 試驗數據表單位：（10MPa)

試樣狀態(tài)	編號	最大應力σmax	最小應力σmin	應力σa	平均應力σm	壽命 N×106
未處理	1	61.77	18.53	43.24	40.15	7.5
	2	63.11	18.93	44.17	41.02	2.5
	3	56.35	16.92	39.48	36.66	10.03
	4	67.14	20.14	46.99	43.64	0.85
	5	61.77	18.53	43.24	40.15	10.1
	6	64.50	19.34	45.12	41.89	1.95
	7	75.19	22.56	52.64	48.87	0.68
	8	64.50	19.34	45.32	41.89	3.56
振動時效	11	63.11	18.93	44.17	41.02	7.25
	12	67.14	20.14	46.99	43.64	1.86
	13	64.50	19.34	45.12	41.89	4.5
	14	64.50	19.34	45.12	41.89	62.3
	15	61.77	18.53	43.24	40.15	10.1
	16	63.11	18.93	44.17	41.02	0.10
	17	69.82	20.95	48.88	45.38	0.93
	18	75.19	22.36	52.64	48.87	0.831
	19	72.51	21.75	50.76	47.13	0.845

振動時效對構件變形的影響

振動時效在穩(wěn)定工件尺寸精度、提高抗靜、動態(tài)荷載變型能力方面，均優(yōu)于熱時效。這也是機床行業(yè)大量應用振動時效工藝的原因之一。這是很多實例已經證實了的。

一、振動時效對零件尺寸精度的影響

國內外大量試驗和實際應用已經證明，振動時效可使工件在長期使用中精度變化量比熱時效小，工件尺寸穩(wěn)定所需要的時間比熱時效要短。因此說振動時效對于穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。

齊齊哈爾第一機床廠對C5116A的滑枕的尺寸穩(wěn)定性做了對比性檢測，將9件滑枕靜置在陳舊的水泥地面上，每月用合向水平儀檢測一次平直性，共觀測六個月。

其中02、06、07號滑枕未作任何處理。 01和03，04和05號滑枕采用串接式振動處理。用一階固有頻率激振25分鐘后，再用二、三階共振頻率個激振2~5分鐘。08、09號滑枕在550℃ 熱時效并保溫6小時后，隨爐冷至200℃出爐。

全部試樣均在22℃±2℃下分七段（每段橋距200mm），測02導軌的平直性，測量精度2um/m。對01、03、04、和05號試樣，在振前、振后各測一次觀測其最大變形為量為24um，說明振動處理使變形量提前發(fā)生。

在六個月的檢測中，未時效件共測量144段，振動處理件測量192段，熱時效件測量96段。其結果如下：月最大變形為未時效件8um，振動時效件4.4um，熱時效件4.8um。

3um以上的變形段數為未時效件30個，占總測量段數的20.8％；振動時效件20個，占總測量段數的10.4％；熱時效件有11個，占總測量段數的11.4％。

表6和表7是C163床身尺寸穩(wěn)定性檢測結果。該床身為4500×500×600mm，重量為1.5t。用8件靜置半年，每月測其導軌的平直性。每件分17個測量段，每段橋距為200mm。

表5

	未時效件		振動時效件	熱時效件
最大月變形um	14		8	8
測量頻數	289		306	204
變形量6um以上	頻數	36	8	9
變形量6um以上	相對頻數	12.5％	2.6％	4 .4％
變形量9um以上	頻數	7	0	0
變形量9um以上	相對頻數	2.4％	0	0μm

表6

	未時效件		振動時效件	熱時效件
大月累計最大變形		27 um	12 um	14 um
測量頻數		45	45	30
變形量11um以上	頻數	29	3	4
變形量11um以上	相對頻數	64.4％	6.7％	8.9％
變形量9um以上	頻數	40	9	13
變形量9um以上	相對頻數	89％	20％	43％
變形量7um以上	頻數	42	24	19
變形量7um以上	相對頻數	91％	53.3％	42.2％

從表5和表6中可見，熱時效和振動時效均可使最大變形減少一半以上，且大變形的頻數顯著降低。如月變形量6um以上的頻數，未時效件是振動時效的4.8倍，是熱時效件的2.9倍。而累計變形就更加明顯，變形11um以上的頻數，未時效件是熱時效件7.2倍，是振動時效件的9.6倍。

振動時效和熱時效都起著使尺寸穩(wěn)定而提高精度保持性的作用，而振動時效更優(yōu)于熱時效。這已為國內外大量試驗驗證了而得到了廣泛的應用。

二、振動時效提高工件抗靜、動荷載變形能力的作用

振動時效使構件的塑形變形在使用前提前發(fā)生，并降低殘余應力。因此振后的工件其彈性性能要比未振工件強，其抗靜、

動荷載變形能力比熱時效工件還要好。

為了測定工件抗靜、動荷載變形的能力，做一個有關的試驗。選用如圖5所示的試樣六件（應力框），每兩件為一組。分別做未時效、熱時效和振動時效三種不同處理，表面加工至Δ6，并選如圖5所示1—7處為測點。實驗工況為抗靜載能力測試和抗動載能力測試。

1、抗靜載能力試驗

沒加荷載之前先測1—7點翹曲量。然后再在材料試驗機上平放，支距為200mm，在7點處加靜荷載1.4t，持續(xù)5分鐘后卸下按同樣方法進行變形量的測量，結果列于表7中。

表7 變形量試數據表

變形量（um）	變形量范圍	未時效件		振動時效件		熱時效件
	變形量范圍	頻數（次）	相對頻數％	頻數（次）	相對頻數％	頻數（次）	相對頻數％
	0—50	7	58.3	10	83.3	6	50.0
	60—100	0	0	2	16.7	1	8.3
	110-160	5	41.7	0	0	5	41.7

表7中說明，在靜荷載作用下，未時效件落在110~160um的大變形占總測點的41.7％，熱時效也占41.7％，而振動時效件卻為0。而小變形點（0~50um），未時效件占58.3％，熱時效占50％，而振動時效件占83.3％。試驗結果說明，熱時效降低了工件抗靜載變形的能力，而振動時效卻提高了工件抗靜載變形能力25％以上。

2、抗動載能力的試驗

同靜載試驗一樣，在沒加動荷載之前測各點的翹曲量。再將應力框以懸臂夾持，并

用振動臺以50Hz頻率進行振動處理20分鐘。取下后測量各點的變形。結果如表8所示。

表8

狀態(tài)		未時效件		振動時效件		熱時效件
變形量（um）		頻數（次）	相對頻數％	頻數（次）	相對頻數％	頻數（次）	相對頻數％
	10~30	9	75.0	12	100	8	66.7
	40~60	1	8.3	0	0	2	16.7
	70~100	2	16.7	0	0	2	16.7

從表8中可以看出，振動時效件的測點全落在小變形段上。大變形段上振動時效測點為0，而熱時效件與未時效件相等。不難得出結論：振動時效同樣提高了工件抗動載變形的能力，而熱時效卻降低了工件抗動載變形的能力。

另一個試驗結果也得出了相同的結論：振動處理的鑄件比不經時效的鑄件抗靜載能力提高30％左右，抗動載能力提高1—3倍，抗溫度變形能力也提高近30％。與經熱時效的鑄件相比，振動處理件的抗靜載的能力提高40％以上，抗動載能力提高70％。

振動處理對構件殘余應力的影響

振動處理的關鍵在于調整殘余應力，因此殘余應力對材料機械性能的影響以及殘余應力對構件變形的影響都將因振動處理而改變。現(xiàn)以表7和表8給出的結果來說明。

一、振動時效處理對A272F—0139并條機車面殘余應力的影響

表9得實驗中用多組試樣做了經振動時效和熱時效后殘余應力變化的對比性試驗，得出結論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應力的功能上基本相近，而熱時效更好一些。實測A272F—0139并條機車面的殘余應力結果如表9。

由表中可見，由于試樣在爐內放置位置不相同，使結果相差較大。試樣6放在爐門處消除的比例最小。

表9 殘余應力值對比表

編號	狀態(tài)	時效前（×10MPa)		時效后（×10MPa)		消除比例（％）
編號	狀態(tài)	σ1	σ2	σ1	σ2	σ1	σ2
1	振動時效	7.54	6.80	6.00	5.08	20.4	25.4
2		13.30	10.28	6.38	6.00	59.5	44.1
3		10.31	6.61	7.04	4.74	31.8	28.5
4	熱時效	10.38	7.78	6.57	6.19	36.7	20.4
5		10.38	7.78	5.07	1.61	51.2	34.8
6		10.38	7.78	9.07	8.07	12.6	增加3.5

二、振動處理對焊接管節(jié)點焊址處殘余應力的影響

表10得實驗給出了振動時效對焊接殘余應力影響的測試結果。試樣為工程上常用的T型焊接管節(jié)點，該試樣系采用無縫鋼管手工電弧焊制而成的。試樣制作按中國《海上平臺入級與建造規(guī)范»的有關要求執(zhí)行并經探傷檢驗。

表10 試件參數（mm）

L	T	D	t	d
1200	7.0	219	5.0	159

試件材料為普通碳素鋼，其化學成分與機械性能如下表所示

表11 材料化學成分與機械性能表 ж應力單位MPa

	元素成分含量（％）					機械性能
	C	P	S	Si	Mn	σs	σb
支管	0.11	0.030	0.051	0.007	0.022	306.6	442.3
主管	0.15	0.027	0.052	0.018	0.009	328.7	445

表12 試樣幾何參數

參數	a=L∕D	β==d∕D	r=D∕2T	τ=t∕Τ
數值	5.749	0.726	15.64	0.714

試樣的殘余應力測試是在焊接成型后和經過振動時效后兩種工況下進行的。振動處理是在支管端部施加激振，如圖6中P所示。測點分布如圖7。

表13為T型管節(jié)點在振動處理前后的殘余主應力測試結果。圖8為上述各測點沿焊址且垂直焊縫的應力分布圖。

從表中數據和圖中曲線可見，振動處理對消除T型管節(jié)點的殘余應力起著重要作用：它可以降低焊接殘余應力20％至80％；對殘余應力的分布起著明顯的均化作用，高殘余應力區(qū)消除比例大，而低應力區(qū)消除比例??；殘余應力消除的比例與振動處理時動應力的大小成正比。動應力大的點消除應力的比例大，而動應力小的點消除的比例小。

表13

點號	部位	振動處理前（MPa）		振動處理后（MPa）
點號	部位	σ1	σ2	σ1	σ2
1	主管	98.6	35.5	29.4	-18
2		15.9	-42.6	14.9	-22
3		-10.7	-74.6	20.2	-31.9
4		111.7	75.3	61.7	-73.9
5		113.9	-15.1	71.4	-14.9
6		104.7	23.1	64.2	-21.1
7		203.3	55.4	46.5	5.1
8		96	69.3	84.0	2.0
1ˊ	支管	62.2	-37.5	21.9	-70.4
2ˊ		36.1	-66.0	5.5	-75
3ˊ		13.3	-72.8	11.1	-54
4ˊ		50.5	-102.4	32.2	48.7
5ˊ		57.3	-42.7	55.2	38.0
6ˊ		42.4	-21.4	23.7	-64
7ˊ		93.4	8.9	12.4	-68.4
8ˊ		66.0	10.0	47.0	37.4

振動處理對焊接構件疲勞壽命的影響

關于振動處理對焊接構件疲勞壽命的影響問題國內外一直有著不同的看法。由于振動處理荷載與構件承受的疲勞荷載相似，因此一種推論認為振動處理減短了構件的疲勞壽命。而另一種觀點則認為由于在振動處理過程中殘余應力的降低和均化從而延長了疲勞壽命。這兩種觀點均未經充分的試驗驗證。

從前述得實驗結果出發(fā)提出用振動處理可以提高焊接構件疲勞壽命的推論，并用對焊板試驗件的“振動處理”與“非處理”兩工況下疲勞壽命的對比試驗來加以驗證。大量的試驗結果證明了振動處理可以提高材料的力學性能，其中包括材料的斷裂韌性得到提高，裂紋擴展速率降低、疲勞極限得到提高。這些都是提高結構件疲勞壽命的關鍵因素。因此振動處理可以提高焊接構件疲勞壽命的結論，已被下述試驗給予驗證。

試驗方法

（1）、試件：用尺寸為50×30×12mm的鋼板條，每兩根在端部對焊成一體做為試件。三根做材性試驗，四根經振動處理后做疲勞試驗，五根直接進行疲勞試驗而不做任何處理。

（2）試驗方法

在兩噸高頻疲勞試驗機上做純彎曲疲勞試驗。

1、試驗結果

九個的試件疲勞壽命試驗結果列在表15中，其中五件

（編號1、2、3、8、9）未經任何處理，直接在疲勞機上進行試驗。其應力幅為25MPa—310MPa。五個試件的疲勞壽命平均值為4.5×10次。

表6.14 試驗結果數據表

N Nο	處理工況	疲勞壽命（×10)	未時效件平均壽命	時效件平均壽命	時效提高壽命百分比
1	未時效	4.95	4.5×10-5	5.67×10-5	25.3％
2	未時效	4.15
3	未時效	3.43
4	時效	4.78
5	時效	6.84
6	時效	6.89
7	時效	5.15
8	未時效	4.98
9	未時效	5.07

另外四件（編號4、5、6、7）在進行疲勞壽命試驗之前，進行過振動時效處理：在同一疲勞機上，用25MPa~155MPa（即1/2荷載法）荷載進行脈動處理1小時，頻率為200Hz。然后再對前面五件所用的同樣荷載進行疲勞壽命試驗。從表15可見其平均壽命為5.67×10-5次。

從本次試驗，可以得出以下結論：

1、本實驗件經振動處理提高疲勞壽命達25.3％之多，說明振動處理技術對提高焊接構件的疲勞壽命有很好的作用。

2、選擇合理的工藝參數，提高疲勞壽命的效果將更加顯著。

3、振動處理提高焊接構件疲勞壽命的原因在于殘余應力下降，從而降低了作用應力水平并使斷裂韌性得到了提高。

振動處理技術的適用性

振動處理技術的適用性隨著該項技術的廣泛應用而被逐漸地發(fā)現(xiàn)和擴大。

就其對金屬構件的作用來說，振動處理技術可用于穩(wěn)定構件的變形，提高抗變形能力，提高構件的尺寸精度。振動處理技術可以有效地降低和均化構件的殘余應力，提高使用強度和疲勞壽命。振動處理技術還可以防止構件在使用中出現(xiàn)斷裂裂紋。

就金屬材料而言振動處理技術可用于碳素結構鋼、低碳合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬等。

就工件的種類而言振動處理技術可以用于機械產品的大、中型基礎件，各種焊接構件，長度與直徑比較大的軸類零件。對于大型低壓焊接容器，國內一些試驗已經表明，只要采用合理的工藝參數，振動處理技術可以用來代替.熱時效，這將為壓力容器在消除焊接殘余應力方面開辟一條新路，同時也擴大了振動時效技術的應用范圍。

就工件的重量而言，從幾公斤的小型構件至一、二千噸的海洋平臺等大型結構件，均可采用振動處理技術。只要根據構件的結構型式選擇好構件的振動處理參數和設備，就可以達到消除殘余應力的目的。

盡管振動處理技術的適用范圍如此廣泛，但仍有它的局限性。這是由于受振動時效裝置性能限制的結果。目前國內外生產的振動時效裝置，其頻率泛圍均在200Hz以下。如果構件的長、寬、高之比接近于1，且結構剛度又很大，則有可能使構件的固有頻率超過設備的使用頻率范圍而無法共振。在這種情況下，就必須采用低頻大激振力技術或構件組合裝卡法以降低其頻率。

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