详细内容 当前：首页 > 新闻中心
振动时效消除金属结构件应力实验
时间：2014-9-23    发布：振动时效

振动处理的主要作用是降低和均化构件中的残余应力。因此，残余应力对金属构件机械性能的影响，通过振动时效处理都可以得到消除或降低。这也是振动处理技术能够得到广泛应用并进一不扩大其适用范围的依据。
振动处理对金属材料力学性能的影响
一、金属材料的抗拉性能试验结果
下表为非合金结构钢和碳素钢焊接试样在未经任何处理、振动处理及热处理三种工况后的抗拉试验结果，表明振动处理基本上不改变材料的抗拉性能。
表1               试样抗拉性能试验


钢
处理方式
屈服点Ơs（MPa）
抗拉强度Ơь（MPa)
延伸率δ（％)
普通结构钢
不处理
振动处理
退   火
331.47
327.55
231.44
517.81
506.04
448.18
25.5
24.0
33.0
碳素钢
（0.4—0.5％c）
不处理
振动处理
退     火
461.91
472.69
301.07
675.70
686.49
557.04
13.0
14.5
18.5


而热时效的试样其屈服强度和抗拉强度值均下降。下面做个试验。用16 Mn 钢材，制备三组焊接试样：其中一组未经任何处理；一组做了热时效处理，处理条件按JB741---80《钢制焊接压力容器技术条件》规定工艺进行；另一组采用振动时效，其激振应力为σ动=98.07MPa。
实验结果见表2与表 1数据相比说明两次实验结果基本一致，所不同的是表1中给出的结果是热处理后的屈服强度与抗拉强度均下将，而表6中的结果是没有变化，这是与处理工艺有关。但振动时效不改变材料抗拉性能这一点是一致的。
表2                16Mn钢材试样抗拉性能试验


             性能
工况
σs（MPa）
σb（MPa)
б（％)
ψ（％)
Ε（GMP)
µ
     不处理
391.30
544.09
18.50
73.00
209.8
0.30
     振动时效
392.28
549.19
18.50
74.00
204.9
0.28
     热处理
392.28
544.29
19.60
71.00
209.8
0.26


 二、材料断裂韧性的测试和分析
制备标准三点弯曲试样，仍然按上述三种情况处理。用多试样阻力曲线法测试材料Jic值，利用计算机控制停机点并计算结果，见图1。图中每条曲线为三组试样的均值，每组试样有效点不少于5个。
将图1中所得的临界J积分值Jic利用公式
从结果看出，用振动时效处理的材料断裂韧性比未时效处理的提高10％，根据断裂力学理论可知，断裂安全的判据为：
三、振动处理对材料疲劳极限的影响
振动处理对材料疲劳性能的影响是个有争议的问题。这也影响了振动处理技术在承受疲劳荷裁构件上或压力容器上的应用。近年来许多研究人员做了大量的实验，结果是令人满意的，并且也是重要的。
实验采用两种不同方式处理的试样：（1）焊后未做任何处理。（2）焊后振动消除应力 。
试样是在同一块板料上切取毛坯，按照同样的工艺对焊，然后切取试样加工。制备上述两种试样各一组（10根），其中振动时效采用二分之一荷载法 （参下表）。板梁残余应力测试数据表                 


   片号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
应变值
697
-220
657
-117
673
-155
690
-120
670
-165


试样尺寸如图2所示。
 为了说明焊接产生的残余应力，分别对两种试件进行了测试：选标距为1mm的单向电阻应变片贴在试件上表面的焊缝区内，如图3所示。沿A—A刻面切开同时测量释放应变，计算出的残余应力见表3。从表中可见振动处理的试验件其残余应力下降幅度为59.50％。 
 
 
表3                残余应力测试结果


处理方法
εx （×10ˉ6）
εy（×10ˉ6)
σx（×10MPa)
σy（×10MPa)
未处理
-1226
127
27.41
5.56
振动处理
-535
179
11.11
-0.43


 振动时效处理参数依据二分之一荷载法来确定，即荷载幅值为疲劳荷载幅值的二分之一，而最小值与疲劳荷载的最小值相等。所以振动处理的参数为： 荷载：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf； 频率：200Hz； 周数：7.5×106。
实验方式为三点弯曲疲劳试验，在2吨高频试验机上进行，保持应力比为γ=0.3。试验数据见表4，图4为由表4数据得到的S—N曲线。从曲线上可见， 经振动处理的试件其S—N曲线明显高于未处理件，二者的疲劳极限分别为442MPa和424MPa，提高5％。
 振动处理可以提高金属材料的疲劳极限已被实验验证。但是提高的比例大小，是与试件的初始状态有关的，如果初始残余应力大，则因振动处理后残余应力消除的比例大而提高疲劳极限的比例也大。可是要在标准试件上产生较大的残余应力，相对于结构件来说是困难的。因此，用振动处理提高材料疲劳极限的比例，与用振动处理提高构件疲劳寿命的比例是不同的。
    


 

表4           试验数据表                                                     单位：（10MPa)


试样状态
编号
最大应力σmax
最小应力σmin
应力σa
平均应力σm
寿命 N×106
 
 
未
处
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
动
时
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


振动时效对构件变形的影响
    振动时效在稳定工件尺寸精度、提高抗静、动态荷载变型能力方面，均优于热时效。这也是机床行业大量应用振动时效工艺的原因之一。这是很多实例已经证实了的。
一、振动时效对零件尺寸精度的影响
国内外大量试验和实际应用已经证明，振动时效可使工件在长期使用中精度变化量比热时效小，工件尺寸稳定所需要的时间比热时效要短。因此说振动时效对于稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。
   齐齐哈尔第一机床厂对C5116A的滑枕的尺寸稳定性做了对比性检测，将9件滑枕静置在陈旧的水泥地面上，每月用合向水平仪检测一次平直性，共观测六个月。
    其中02、06、07号滑枕未作任何处理。 01和03，04和05号滑枕采用串接式振动处理。用一阶固有频率激振25分钟后，再用二、三阶共振频率个激振2~5分钟。08、09号滑枕在550℃ 热时效并保温6小时后，随炉冷至200℃出炉。
    全部试样均在22℃±2℃下分七段（每段桥距200mm），测02导轨的平直性，测量精度2um/m。对01、03、04、和05号试样，在振前、振后各测一次观测其最大变形为量为24um，说明振动处理使变形量提前发生。
   在六个月的检测中，未时效件共测量144段，振动处理件测量192段，热时效件测量96段。其结果如下：月最大变形为未时效件8um，振动时效件4.4um，热时效件4.8um。
   3um以上的变形段数为未时效件30个，占总测量段数的20.8％；振动时效件20个，占总测量段数的10.4％；热时效件有11个，占总测量段数的11.4％。
   表6和表7是C163床身尺寸稳定性检测结果。该床身为4500×500×600mm，重量为1.5t。用8件静置半年，每月测其导轨的平直性。每件分17个测量段，每段桥距为200mm。
 表5


 
未时效件
振动时效件
热时效件
最大月变形um
14
8
8
测量频数
289
306
204
变形量6um以上
频数
36
8
9
相对频数
12.5％
2.6％
4 .4％
变形量9um以上
频数
7
0
0
相对频数
2.4％
0
0μm


 
表6


 
未时效件
振动时效件
热时效件
大月累计最大变形
 
27 um
12 um
14 um
测量频数
 
45
45
30
变形量11um以上
频数
29
3
4
相对频数
64.4％
6.7％
8.9％
变形量9um以上
频数
40
9
13
相对频数
89％
20％
43％
变形量7um以上
频数
42
24
19
相对频数
91％
53.3％
42.2％


   从表5和表6中可见，热时效和振动时效均可使最大变形减少一半以上，且大变形的频数显著降低。如月变形量6um以上的频数，未时效件是振动时效的4.8倍，是热时效件的2.9倍。而累计变形就更加明显，变形11um以上的频数，未时效件是热时效件7.2倍，是振动时效件的9.6倍。
振动时效和热时效都起着使尺寸稳定而提高精度保持性的作用，而振动时效更优于热时效。这已为国内外大量试验验证了而得到了广泛的应用。
二、振动时效提高工件抗静、动荷载变形能力的作用
振动时效使构件的塑形变形在使用前提前发生，并降低残余应力。因此振后的工件其弹性性能要比未振工件强，其抗静、
动荷载变形能力比热时效工件还要好。
   为了测定工件抗静、动荷载变形的能力，做一个有关的试验。选用如图5所示的试样六件（应力框），每两件为一组。分别做未时效、热时效和振动时效三种不同处理，表面加工至Δ6，并选如图5所示1—7处为测点。实验工况为抗静载能力测试和抗动载能力测试。     
1、抗静载能力试验
没加荷载之前先测1—7点翘曲量。然后再在材料试验机上平放，支距为200mm，在7点处加静荷载1.4t，持续5分钟后卸下按同样方法进行变形量的测量，结果列于表7中。
表7                    变形量试数据表


   变
   形
   量
（um）
变形量范 围
 未时效件
 振动时效件
    热时效件
频数（次）
相对频数 ％
频数（次）
相对频数 ％
频数（次）
相对频数 ％
 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中说明，在静荷载作用下，未时效件落在110~160um的大变形占总测点的41.7％ ，热时效也占41.7％，而振动时效件却为0。而小变形点（0~50um），未时效件占58.3％，热时效占50％，而振动时效件占83.3％。试验结果说明，热时效降低了工件抗静载变形的能力，而振动时效却提高了工件抗静载变形能力25％以上。
2、   抗动载能力的试验
 同静载试验一样，在没加动荷载之前测各点的翘曲量。再将应力框以悬臂夹持，并
用振动台以50Hz频率进行振动处理20分钟。取下后测量各点的变形。结果如表8所示。
 
表8


状    态
未时效件
振动时效件
热时效件
变形量
（um）
 
频数（次）
相对频数 ％
频数（次）
相对频数 ％
频数（次）
相对频数 ％
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


 从表8中可以看出，振动时效件的测点全落在小变形段上。大变形段上振动时效测点为0，而热时效件与未时效件相等。不难得出结论：振动时效同样提高了工件抗动载变形的能力，而热时效却降低了工件抗动载变形的能力。
    另一个试验结果也得出了相同的结论：振动处理的铸件比不经时效的铸件抗静载能力提高30％左右，抗动载能力提高1—3倍，抗温度变形能力也提高近30％。与经热时效的铸件相比，振动处理件的抗静载的能力提高40％以上，抗动载能力提高70％。    
振动处理对构件残余应力的影响
    振动处理的关键在于调整残余应力，因此残余应力对材料机械性能的影响以及残余应力对构件变形的影响都将因振动处理而改变。现以表7和表8给出的结果来说明。
一、振动时效处理对A272F—0139并条机车面残余应力的影响
表9得实验中用多组试样做了经振动时效和热时效后残余应力变化的对比性试验，得出结论是振动时效与热时效相比在消除残余应力的功能上基本相近，而热时效更好一些。实测A272F—0139并条机车面的残余应力结果如表9。
 由表中可见，由于试样在炉内放置位置不相同，使结果相差较大。试样6放在炉门处消除的比例最小。
       表9        残余应力值对比表


编号
状态
时效前（×10MPa)
时效后（×10MPa)
消除比例（％）
σ1
σ2
σ1
σ2
σ1
σ2
1
振动时效
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
热 时 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、振动处理对焊接管节点焊址处残余应力的影响
表10得实验给出了振动时效对焊接残余应力影响的测试结果。试样为工程上常用的T型焊接管节点，该试样系采用无缝钢管手工电弧焊制而成的。试样制作按中国《海上平台入级与建造规范»的有关要求执行并经探伤检验。
 
 
 
表10                                                 试件参数（mm）


     L
   T
   D
   t
     d
 1200
   7.0
   219
   5.0
    159


 试件材料为普通碳素钢，其化学成分与机械性能如下表所示
      
表11   材料化学成分与机械性能表                                           ж应力单位MPa


 
           元素成分含量（％）
    机械性能
 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 试样几何参数   


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


  
试样的残余应力测试是在焊接成型后和经过振动时效后两种工况下进行的。振动处理是在支管端部施加激振，如图6中P所示。测点分布如图7。
   表13为T型管节点在振动处理前后的残余主应力测试结果。图8为上述各测点沿焊址且垂直焊缝的应力分布图。
   从表中数据和图中曲线可见，振动处理对消除T型管节点的残余应力起着重要作用：它可以降低焊接残余应力20％至80％；对残余应力的分布起着明显的均化作用，高残余应力区消除比例大，而低应力区消除比例小；残余应力消除的比例与振动处理时动应力的大小成正比。动应力大的点消除应力的比例大，而动应力小的点消除的比例小。
       表13


   点
   号
   部
   位
振动处理前（MPa）
 振动处理后（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


 
 
 
 
振动处理对焊接构件疲劳寿命的影响
   关于振动处理对焊接构件疲劳寿命的影响问题国内外一直有着不同的看法。由于振动处理荷载与构件承受的疲劳荷载相似，因此一种推论认为振动处理减短了构件的疲劳寿命。而另一种观点则认为由于在振动处理过程中残余应力的降低和均化从而延长了疲劳寿命。这两种观点均未经充分的试验验证。
从前述得实验结果出发提出用振动处理可以提高焊接构件疲劳寿命的推论，并用对焊板试验件的“振动处理”与“非处理”两工况下疲劳寿命的对比试验来加以验证。大量的试验结果证明了振动处理可以提高材料的力学性能，其中包括材料的断裂韧性得到提高，裂纹扩展速率降低、疲劳极限得到提高。这些都是提高结构件疲劳寿命的关键因素。因此振动处理可以提高焊接构件疲劳寿命的结论，已被下述试验给予验证。
 试验方法
（1）、试件：用尺寸为50×30×12mm的钢板条，每两根在端部对焊成一体做为试件。三根做材性试验，四根经振动处理后做疲劳试验，五根直接进行疲劳试验而不做任何处理。
（2）试验方法
在两吨高频疲劳试验机上做纯弯曲疲劳试验。
1、试验结果
 九个的试件疲劳寿命试验结果列在表15中，其中五件
（编号1、2、3、8、9）未经任何处理，直接在疲劳机上进行试验。其应力幅为25MPa—310MPa。五个试件的疲劳寿命平均值为4.5×10次。
     


 

 表6.14     试验结果数据表


         N
Nο
 处理工况
疲劳寿命
（×10)
未时效件
平均寿命
 时 效 件
 平均寿命
时效提高寿
命百分比
    1
 未时效
 4.95
 
 
 
 
4.5×10-5
 
 
 
 
5.67×10-5
 
 
 
 
 25.3％
    2
 未时效
 4.15
    3
 未时效
 3.43
    4
   时效
 4.78
    5
   时效
 6.84
    6
   时效
 6.89
    7
   时效
 5.15
    8
 未时效
 4.98
    9
 未时效
 5.07


 另外四件（编号4、5、6、7）在进行疲劳寿命试验之前，进行过振动时效处理：在同一疲劳机上，用25MPa~155MPa（即1/2荷载法）荷载进行脉动处理1小时，频率为200Hz。然后再对前面五件所用的同样荷载进行疲劳寿命试验。从表15可见其平均寿命为5.67×10-5次。
 从本次试验，可以得出以下结论：
1、本实验件经振动处理提高疲劳寿命达25.3％之多，说明振动处理技术对提高焊接构件的疲劳寿命有很好的作用。
2、选择合理的工艺参数，提高疲劳寿命的效果将更加显著。
3、振动处理提高焊接构件疲劳寿命的原因在于残余应力下降，从而降低了作用应力水平并使断裂韧性得到了提高。
振动处理技术的适用性
    振动处理技术的适用性随着该项技术的广泛应用而被逐渐地发现和扩大。
    就其对金属构件的作用来说，振动处理技术可用于稳定构件的变形，提高抗变形能力，提高构件的尺寸精度。振动处理技术可以有效地降低和均化构件的残余应力，提高使用强度和疲劳寿命。振动处理技术还可以防止构件在使用中出现断裂裂纹。
就金属材料而言振动处理技术可用于碳素结构钢、低碳合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属等。
就工件的种类而言振动处理技术可以用于机械产品的大、中型基础件，各种焊接构件，长度与直径比较大的轴类零件。对于大型低压焊接容器，国内一些试验已经表明，只要采用合理的工艺参数，振动处理技术可以用来代替.热时效，这将为压力容器在消除焊接残余应力方面开辟一条新路，同时也扩大了振动时效技术的应用范围。
   就工件的重量而言，从几公斤的小型构件至一、二千吨的海洋平台等大型结构件，均可采用振动处理技术。只要根据构件的结构型式选择好构件的振动处理参数和设备，就可以达到消除残余应力的目的。
   尽管振动处理技术的适用范围如此广泛，但仍有它的局限性。这是由于受振动时效装置性能限制的结果。目前国内外生产的振动时效装置，其频率泛围均在200Hz以下。如果构件的长、宽、高之比接近于1，且结构刚度又很大，则有可能使构件的固有频率超过设备的使用频率范围而无法共振。在这种情况下，就必须采用低频大激振力技术或构件组合装卡法以降低其频率。