第一章  振动时效背景

一、 振动时效技术应用

振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief”简称“VSR”,旨在 通过专业的振动时效设备，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形――被歪曲的晶格逐渐 回复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。

二、 振动时效的特点

1. 时效效果好

2. 灵活性强

3. 彻底解决了热时效炉窑的环境污染问题

4. 投资少

5. 节能显著

6. 效率高

7. 特别时候不宜高温时效的材料和零件的消除应力处理

表一 振动时效与热时效特点比较

三、 振动时效的由来及现状

1. 由来及国外的应用情况

在工件的铸造、焊接、锻造、机械加工、热处理、校直等制造过程中在工件的内部产生残余应力，而残余应力的存在 必然会导致一些不良的后果出现。

如：降低工件的实际承载能力而生裂纹；

易发生变形而影响工件的尺寸精度；

加速应力腐蚀；

降低工件的疲劳寿命等。

消除应力有：自然时效、热时效、振动时效、静态过载时效、时效、循环加载时效等，虽然都有有缺点，但都在一定程度上达到消除和均化的目的。

振动时效源自于敲击时效，在焊接中，施焊一段时间后立即用小锤对焊缝及周边进行敲击以防止裂纹产生，其原因就是随时将焊接应力消除一些，以免最终产生较大的应力集中。

敲击法能量有限，后来发现使工件产生共振时，可给工件出入最大的振动能力，从而于1915年在美国产生世界上第一台关于振动消除残余应力的专利。直到五十年代后期，电动机制造水平的提高，轻巧的振动时效设备陆续在美国、德国、英国、法国、苏联等国家出现，并不断地被应用到机械制造业中，大量的实际应用证明这种方法比热时效更能提高工件的尺寸稳定性。

2. 国内发展及现状

   国内发展较晚，首先由孙照清总工程师等老一辈技术专家于74年出国考察，把技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究移植，并在“六五”期间在机械部提出攻关课题―――提高机床铸件产品质量的大课题里面确定“振动时效可行性研究”。八五年机械部特批二万五千美金与美国马丁公司合作，引进当时世界上最先进的VSR－－790型振动时效设备及相关技术。

  特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术时效设备要求》标准的诞生，使该技术得以较快的推广和发展。

第二章 关于残余应力

一、 残余应力的分类

1.力相互作用或平衡范围分类

2.金属学分类

3. 应力产生的工艺过程分类：

铸造残余应力

焊接残余应力

压力加工残余应力

切削加工残余应力

热时效残余应力

镀层残余应力

表面硬化处理残余应力

校直残余应力等

4. 按引起残余应力的工艺机构分类

5. 按物理学分类

6. 按应力存在时间的长短分类

二、 残余应力的机理

1. 由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。

2. 由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。

3. 由于公差产生的残余应力。

4. 还有由于化学变化等多种原因都可能产生残余应力。

三、 残余应力对金属构件的影响

1. 对金属材料屈服极限的影响

2. 残余应力对疲劳寿命的影响

3. 残余应力对构件变形的影响

4. 残余应力对金属脆性破坏的影响

第三章消除残余应力的方法

一、自然时效

自时效是通过把零件暴露于室外，经过几个月甚至几年的时间，使其尺寸精度达到稳定的一种方法。这种时效方法早已被普遍采用。大量的试验研究和生产实践证明，自然时效具有稳定铸件尺寸精度的良好效果。

二、 热时效

1.用的工艺方法就是进行消除应力的退火，这种方法的特点就是能够大幅度的降低构件的残余应力，尺寸精度稳定。

构件加热到400－700°C时，技术构件即具有相当的单行，同时具有明显的塑性，这个温度范围称为弹性转变温度。

2.影响热时效效果的因素

a. 热时效中，退火温度是影响消除残余应力效果的最重要因素。

b. 热时效保温时间

c. 热时效升温速度

d. 热时效降温速度

e. 热时效炉的温差

f. 工件在炉中的放置与支撑

三、 静态过载法    

是以静力或静力矩的形式，暂时加载于构件上，并在这种载荷下保持一段时间，从而使零件尺寸精度获得稳定的时效方法。

用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，才能消除残余应力。

静态过载法的精度稳定性效果，取决于附加应力的大小及应力下保持时间。

特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。

四、 热冲击时效法

1970年前后出现的一种新颖的稳定工件尺寸精度的时效工艺法。

其实质就是将工件进行快速加热，使加热过程中造成的热应力正好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限引起塑性变形，从而使原始残余应力很快松弛并稳定化。

五、 超声波时效法

超声波时效法首先在前苏联诞生，并在发达国家得到推广，该方法起先主要应用于船舶、核潜艇、航空航天等对消除应力非常严格的军事领域。

第四章 振动时效原理

一、 振动时效的特点

  振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。

其特点有：

1. 投资少

2. 生产周期短

3. 使用方便

4. 适应性强

5. 节约能源，降低成本

6. 机械性能显著提高

7. 符合环保要求

8. 操作简单，易于实现机械自动化。

9. 可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。

二、 振动时效的机理

1. 从宏观的角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。由振动时效的加载试验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。

2. 从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加的动应力。

3. 从错位、晶格滑移等金属学理论上解释，其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下，给工件的每一部位（晶格）施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的井势（恢复平衡的束缚力），则微观区域必然会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处的错位得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的。

三、 振动时效工艺过程

A.振动工艺装备如图所示：它是将一个具有偏心重块的电机系统(激振器)用卡具安放在工件上并将工件用胶垫等弹性物体支承。通过主机控制电机并调速，使工件处于共振状态。一般工件经30分钟的振动处理即可达到调整均化残余应力的目的。

主机：控制电机的启动及调速、信号的收集、处理、显示及打印参数
激振器：强迫工件振动并将电机转速及激振频率反馈回主机
拾振器：把振动响应如加速度幅值等反馈回主机
卡具：将激振器牢牢固定在工件正确位置上
胶垫：隔振、降噪，防跑件

B.工艺选择

1、激振频率：选择共振区别明显处，一般铸件可以采用中频大激振力，焊接件可分频激振。

2、激振力：由构件上最大的动应力来确定，即应保证 σd+σr≥[σ]。Σd与构件的材料和结构有关，一般铸件为∓2kgf/mm2,软钢件为∓7kgf/mm2。

3、激振时间：振动的前10分钟残余应力变化最快，20分钟后趋于稳定，一般认为处理20-50分钟即可。

4、激振点和支撑点：支撑点应该在工件振动节点上，激振点一般在两点支撑点间刚性较大的位置上。

5、用振动时效过程中测出的动态参数曲线，根据曲线的变化、现场，及时判断振动效果，是国内外推荐认可的方法。

振动时效最重要的几个参数是：“支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定时效工艺效果的主要参数。

振动时效的实质，是在工件的低频亚共振点，稳定地亚共振振动15-30分钟左右，使共振峰出现变化，内部发生微观的弹性塑性力学变化，从而实现时效目的。

第五章  振动时效效果的判定方法

检测振动时效的效果实际上就是检验工件中残余应力是否得以消除和均化，目前对残余应力的测试方法总的分为两大类。一类是定量测量：如盲孔法、X射线法、磁测法、喷砂打孔法、切割法、套环法等；另一类是定性测试：如振动参数曲线法、尺寸精度稳定性法等。

一、振动参数曲线法

一项振动时效工艺是否成功，起最后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但在振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。

（1） 幅频特性曲线扫描法

在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，共振峰的增高、频带变窄。

（2） 振幅-时间曲线监测法

幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小（偏心最小的档级）。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。这种方法既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情况。

二、盲孔法

   切割法和套环法具有较大的破坏性，因此目前应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。就是在被测点上钻一小孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种方法具有较好的精度，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法之一。

三、尺寸精度稳定法

尺寸精度稳定法是根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内容：一方面是观测构件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相比较；另一方面是要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度变化量，同样与传统工艺（热时效）相比，以鉴定振动时效工艺的可行性。

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