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振動時效消除金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)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(gòu)件中的殘余應(yīng)力。因此，殘余應(yīng)力對金屬構(gòu)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(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用并進一不擴大其適用范圍的依據(jù)。
振動處理對金屬材料力學(xué)性能的影響
一、金屬材料的抗拉性能試驗結(jié)果
下表為非合金結(jié)構(gòu)鋼和碳素鋼焊接試樣在未經(jīng)任何處理、振動處理及熱處理三種工況后的抗拉試驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(shù)條件》規(guī)定工藝進行；另一組采用振動時效，其激振應(yīng)力為σ動=98.07MPa。
實驗結(jié)果見表2與表 1數(shù)據(jù)相比說明兩次實驗結(jié)果基本一致，所不同的是表1中給出的結(jié)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(jié)果是沒有變化，這是與處理工藝有關(guān)。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(jié)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(jié)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(jù)斷裂力學(xué)理論可知，斷裂安全的判據(jù)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(shù)在承受疲勞荷裁構(gòu)件上或壓力容器上的應(yīng)用。近年來許多研究人員做了大量的實驗，結(jié)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(yīng)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(yīng)力測試數(shù)據(jù)表                 


   片號
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
應(yīng)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力，分別對兩種試件進行了測試：選標距為1mm的單向電阻應(yīng)變片貼在試件上表面的焊縫區(qū)內(nèi)，如圖3所示。沿A—A刻面切開同時測量釋放應(yīng)變，計算出的殘余應(yīng)力見表3。從表中可見振動處理的試驗件其殘余應(yīng)力下降幅度為59.50％。 
 
 
表3                殘余應(yīng)力測試結(jié)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(shù)依據(jù)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(shù)為： 荷載：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf； 頻率：200Hz； 周數(shù)：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(yīng)力比為γ=0.3。試驗數(shù)據(jù)見表4，圖4為由表4數(shù)據(jù)得到的S—N曲線。從曲線上可見， 經(jīng)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(guān)的，如果初始殘余應(yīng)力大，則因振動處理后殘余應(yīng)力消除的比例大而提高疲勞極限的比例也大?？墒且跇藴试嚰袭a(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，相對于結(jié)構(gòu)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(gòu)件疲勞壽命的比例是不同的。
    


 

表4           試驗數(shù)據(jù)表                                                     單位：（10MPa)


試樣狀態(tài)
編號
最大應(yīng)力σmax
最小應(yīng)力σmin
應(yīng)力σa
平均應(yīng)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(gòu)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(yīng)用振動時效工藝的原因之一。這是很多實例已經(jīng)證實了的。
一、振動時效對零件尺寸精度的影響
國內(nèi)外大量試驗和實際應(yīng)用已經(jīng)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(dǎo)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(jié)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(shù)為未時效件30個，占總測量段數(shù)的20.8％；振動時效件20個，占總測量段數(shù)的10.4％；熱時效件有11個，占總測量段數(shù)的11.4％。
   表6和表7是C163床身尺寸穩(wěn)定性檢測結(jié)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(dǎo)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(shù)
289
306
204
變形量6um以上
頻數(shù)
36
8
9
相對頻數(shù)
12.5％
2.6％
4 .4％
變形量9um以上
頻數(shù)
7
0
0
相對頻數(shù)
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(shù)
 
45
45
30
變形量11um以上
頻數(shù)
29
3
4
相對頻數(shù)
64.4％
6.7％
8.9％
變形量9um以上
頻數(shù)
40
9
13
相對頻數(shù)
89％
20％
43％
變形量7um以上
頻數(shù)
42
24
19
相對頻數(shù)
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(shù)顯著降低。如月變形量6um以上的頻數(shù)，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(shù)，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(nèi)外大量試驗驗證了而得到了廣泛的應(yīng)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(gòu)件的塑形變形在使用前提前發(fā)生，并降低殘余應(yīng)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(guān)的試驗。選用如圖5所示的試樣六件（應(yīng)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(jié)果列于表7中。
表7                    變形量試數(shù)據(jù)表


   變
   形
   量
（um）
變形量范 圍
 未時效件
 振動時效件
    熱時效件
頻數(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
頻數(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
頻數(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
 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(jié)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(yīng)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(jié)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(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
頻數(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
頻數(shù)（次）
相對頻數(shù) ％
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(jié)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(jié)果也得出了相同的結(jié)論：振動處理的鑄件比不經(jīng)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(jīng)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(gòu)件殘余應(yīng)力的影響
    振動處理的關(guān)鍵在于調(diào)整殘余應(yīng)力，因此殘余應(yīng)力對材料機械性能的影響以及殘余應(yīng)力對構(gòu)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(jié)果來說明。
一、振動時效處理對A272F—0139并條機車面殘余應(yīng)力的影響
表9得實驗中用多組試樣做了經(jīng)振動時效和熱時效后殘余應(yīng)力變化的對比性試驗，得出結(jié)論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應(yīng)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(yīng)力結(jié)果如表9。
 由表中可見，由于試樣在爐內(nèi)放置位置不相同，使結(jié)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(yīng)力值對比表


編號
狀態(tài)
時效前（×10MPa)
時效后（×10MPa)
消除比例（％）
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(yīng)力的影響
表10得實驗給出了振動時效對焊接殘余應(yīng)力影響的測試結(jié)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(guān)要求執(zhí)行并經(jīng)探傷檢驗。
 
 
 
表10                                                 試件參數(shù)（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(xué)成分與機械性能如下表所示
      
表11   材料化學(xué)成分與機械性能表                                           ж應(yīng)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(shù)   


   參數(shù)
   a=L∕D
 β==d∕D
   r=D∕2T
   τ=t∕Τ
   數(shù)值
 5.749
   0.726
   15.64
 0.714


  
試樣的殘余應(yīng)力測試是在焊接成型后和經(jīng)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(yīng)力測試結(jié)果。圖8為上述各測點沿焊址且垂直焊縫的應(yīng)力分布圖。
   從表中數(shù)據(jù)和圖中曲線可見，振動處理對消除T型管節(jié)點的殘余應(yīng)力起著重要作用：它可以降低焊接殘余應(yīng)力20％至80％；對殘余應(yīng)力的分布起著明顯的均化作用，高殘余應(yīng)力區(qū)消除比例大，而低應(yīng)力區(qū)消除比例小；殘余應(yīng)力消除的比例與振動處理時動應(yīng)力的大小成正比。動應(yīng)力大的點消除應(yīng)力的比例大，而動應(yīng)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）
   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(gòu)件疲勞壽命的影響
   關(guān)于振動處理對焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響問題國內(nèi)外一直有著不同的看法。由于振動處理荷載與構(gòu)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(gòu)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(yīng)力的降低和均化從而延長了疲勞壽命。這兩種觀點均未經(jīng)充分的試驗驗證。
從前述得實驗結(jié)果出發(fā)提出用振動處理可以提高焊接構(gòu)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(jié)果證明了振動處理可以提高材料的力學(xué)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(jié)構(gòu)件疲勞壽命的關(guān)鍵因素。因此振動處理可以提高焊接構(gòu)件疲勞壽命的結(jié)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(jīng)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(jié)果
 九個的試件疲勞壽命試驗結(jié)果列在表15中，其中五件
（編號1、2、3、8、9）未經(jīng)任何處理，直接在疲勞機上進行試驗。其應(yīng)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(jié)果數(shù)據(jù)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(jié)論：
1、本實驗件經(jīng)振動處理提高疲勞壽命達25.3％之多，說明振動處理技術(shù)對提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命有很好的作用。
2、選擇合理的工藝參數(shù)，提高疲勞壽命的效果將更加顯著。
3、振動處理提高焊接構(gòu)件疲勞壽命的原因在于殘余應(yīng)力下降，從而降低了作用應(yīng)力水平并使斷裂韌性得到了提高。
振動處理技術(shù)的適用性
    振動處理技術(shù)的適用性隨著該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用而被逐漸地發(fā)現(xiàn)和擴大。
    就其對金屬構(gòu)件的作用來說，振動處理技術(shù)可用于穩(wěn)定構(gòu)件的變形，提高抗變形能力，提高構(gòu)件的尺寸精度。振動處理技術(shù)可以有效地降低和均化構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高使用強度和疲勞壽命。振動處理技術(shù)還可以防止構(gòu)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(shù)可用于碳素結(jié)構(gòu)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(shù)可以用于機械產(chǎn)品的大、中型基礎(chǔ)件，各種焊接構(gòu)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(nèi)一些試驗已經(jīng)表明，只要采用合理的工藝參數(shù)，振動處理技術(shù)可以用來代替.熱時效，這將為壓力容器在消除焊接殘余應(yīng)力方面開辟一條新路，同時也擴大了振動時效技術(shù)的應(yīng)用范圍。
   就工件的重量而言，從幾公斤的小型構(gòu)件至一、二千噸的海洋平臺等大型結(jié)構(gòu)件，均可采用振動處理技術(shù)。只要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)型式選擇好構(gòu)件的振動處理參數(shù)和設(shè)備，就可以達到消除殘余應(yīng)力的目的。
   盡管振動處理技術(shù)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(jié)果。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的振動時效裝置，其頻率泛圍均在200Hz以下。如果構(gòu)件的長、寬、高之比接近于1，且結(jié)構(gòu)剛度又很大，則有可能使構(gòu)件的固有頻率超過設(shè)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(shù)或構(gòu)件組合裝卡法以降低其頻率。