陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)及殘余應(yīng)力測(cè)試

陳得民 / 北京必創(chuàng)科技股份有限公司

對(duì)殘余應(yīng)力的形成原因、消除技術(shù)及測(cè)試技術(shù)做了詳細(xì)論述，并給出一種振動(dòng)時(shí)效及殘余應(yīng)力測(cè)試實(shí)例，對(duì)相關(guān)工程技術(shù)人員具有重要的參考價(jià)值。

振動(dòng)時(shí)效；殘余應(yīng)力；盲孔法；應(yīng)變傳感器；加速度傳感器；電阻應(yīng)變花

0　引言

殘余應(yīng)力是指在沒有對(duì)物體施加外力時(shí)，物體內(nèi)部存在的為保持平衡的應(yīng)力。它是固有應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力的一種。各種機(jī)械加工過程中（如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等）都會(huì)產(chǎn)生不同程度殘余應(yīng)力［1-4］。

1　產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因

（1）機(jī)械加工引起

金屬構(gòu)件在加工中最易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)施加外力時(shí)，物體的一部分出現(xiàn)塑性形變，卸載后，塑性形變部分，限制了與其相鄰部分形變的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。這種由局部塑性形變引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會(huì)出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷拔、冷彎等等，而且這種殘余應(yīng)力往往是很大的。

（2）溫度不均勻引起

這種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要有以下兩種原因：第一是由于溫度不均勻造成局部熱塑性形變，金屬材料在高溫下其性能將發(fā)生很大的變化，如屈服極限、彈性模量等都隨溫度的升高而下降，如果構(gòu)件上溫度場(chǎng)的溫度階梯較大，則屈服極限和彈性模量的分布不均勻，因此在高溫下出現(xiàn)的熱塑性也是不均勻的。第二是由于相變引起的體積膨脹不均勻造成局部塑性形變，金屬的組織發(fā)生相變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)體積的突然膨脹，如果這種膨脹是均勻的，則如同構(gòu)件均勻熱膨脹一樣，沒有約束的情況下不產(chǎn)生應(yīng)力，但是由于構(gòu)件的組織成分不均勻、溫度分布不均勻等原因，造成構(gòu)件各部分相變時(shí)間不同，體積膨脹不均勻，因此使各部分間出現(xiàn)互相約束而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。

（3）構(gòu)件尺寸公差引起

在焊接、鉚接、螺釘連接時(shí)往往有公差配合問題。如船體分段對(duì)接時(shí)必須將對(duì)接鋼板拉到一起，這些由外力拉到一起而組合的結(jié)構(gòu)，當(dāng)外力去除后，整個(gè)系統(tǒng)就出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力一般來說屬于結(jié)構(gòu)應(yīng)力，大多數(shù)情況下處于彈性狀態(tài)。

總之，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于構(gòu)件某一部分的變形恢復(fù)受到約束而造成。局部不均勻的塑性形變的出現(xiàn)，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的普遍原因。構(gòu)件上殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的綜合值來決定，因此它的分布規(guī)律是隨機(jī)的，給測(cè)量和研究帶來較大的困難。

2　殘余應(yīng)力的影響

金屬構(gòu)件（鑄件、焊接件、鍛件）在加工過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，最大值在屈服極限附近。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危害，如降低構(gòu)件強(qiáng)度、降低工件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂。由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生形變，影響了構(gòu)件的尺寸精度。因此降低和消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力就顯得十分必要。

3　振動(dòng)時(shí)效［5-7］

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)又稱“振動(dòng)消除應(yīng)力法”，國(guó)外簡(jiǎn)稱“VSR”技術(shù)。它的實(shí)施過程是通過振動(dòng)時(shí)效裝置的控制系統(tǒng)控制激振器的轉(zhuǎn)數(shù)和偏心作用在工件上產(chǎn)生離心力，使工件發(fā)生共振（諧振），讓工件需時(shí)效部位產(chǎn)生一定幅度、一定周期的交變運(yùn)動(dòng)，并吸收能量，經(jīng)過一定時(shí)間的振動(dòng)引起工件微小塑性變形及晶粒內(nèi)部位錯(cuò)逐漸滑移，并重新纏繞釘扎使得殘余應(yīng)力被消除和均化，防止工件變形和開裂，從而達(dá)到提高工件尺寸精度穩(wěn)定性，增強(qiáng)工件的抗變形能力和提高疲勞壽命。

從宏觀角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)生塑性形變，降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無疑是保持零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。分析殘余應(yīng)力松馳和零件變形可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)力松馳和再分布，使零件發(fā)生永久塑性形變，故通常采用熱時(shí)效方法以消除和降低殘余應(yīng)力，特別是危險(xiǎn)的降值應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效同樣可以降低殘余應(yīng)力，零件在振動(dòng)處理后殘余應(yīng)力通常可降低30% ～ 80%，同時(shí)也使峰值應(yīng)力降低，使應(yīng)力分布均勻化。

從微觀方面分析，振動(dòng)時(shí)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動(dòng)應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷，鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體的石墨，故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)受到振動(dòng)時(shí)，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加，當(dāng)應(yīng)力疊加到一定的數(shù)值時(shí)，在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位就會(huì)超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性形變。這種塑性形變降低了該處殘余應(yīng)力降值，并強(qiáng)化了金屬基體，而后振動(dòng)又在一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位產(chǎn)生同樣的作用，直至振動(dòng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性形變?yōu)橹?，此時(shí)振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬的作用。

實(shí)踐證明振動(dòng)時(shí)效替代熱時(shí)效后可節(jié)約能源90%以上，提高抗變形能力30%以上，尺寸穩(wěn)定性提高30%以上，疲勞壽命提高20%以上。處理時(shí)效通常只需15 ～ 45 min，不分場(chǎng)地，不受工件尺寸、形狀、質(zhì)量等限制，可處理幾千克至幾百噸的工件。便攜工件不需運(yùn)輸可就地處理，可插在任何工序之間進(jìn)行。采用振動(dòng)時(shí)效可提高工效幾十倍，它具有減少環(huán)境污染、縮短生產(chǎn)周期、改善勞動(dòng)條件、工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)投資少、見效快、綜合效益顯著的工藝。振動(dòng)時(shí)效適應(yīng)于碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬（銅、鋁、鋅及其合金）等鑄件、鍛件和焊接件及其機(jī)加工件。

本實(shí)驗(yàn)中，采用某公司振動(dòng)時(shí)效裝置，作用于測(cè)試工件上，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，起振波形如圖2所示，通過FFT分析可知（見圖3），共振頻率約107.91 Hz，幅值約2.446 g。

圖1　振動(dòng)時(shí)效裝置

圖2　振動(dòng)時(shí)效起振波形

圖3　振動(dòng)時(shí)效FFT分析

4　殘余應(yīng)力測(cè)試［8-11］

在殘余應(yīng)力測(cè)試中，使用北京必創(chuàng)SG404無線電阻應(yīng)變儀，鉆孔儀為某公司H6859小型臺(tái)鉆。應(yīng)變片是由陜西漢中第五二一廠生產(chǎn)的型號(hào)為BE120-2CA-A的三軸電阻應(yīng)變花（見圖4），其電阻值為120.1±0.25%，靈敏系數(shù)為2.20±1%。試驗(yàn)中采用了直徑為1.5mm的鉆頭。打孔過程如圖5所示。

測(cè)量過程：

1）在測(cè)試工件上確定6個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)。

2）每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分開貼兩個(gè)應(yīng)變片，分兩組檢測(cè)，振前測(cè)試第一組測(cè)試點(diǎn)中的一個(gè)應(yīng)變片，振后測(cè)試第二組測(cè)試點(diǎn)中的一個(gè)應(yīng)變片（如圖6）。

圖4　電阻應(yīng)變花

1-放大鏡；2-套筒；3-x、y方向調(diào)整螺絲；4-支架高度調(diào)整螺母；5-粘接墊；6-應(yīng)變花；7-萬向節(jié)；8-鉆桿；9-鉆頭圖5　打孔鉆

圖6　應(yīng)變片布置

3）粘貼接線端子（每點(diǎn)三個(gè)方向），將工件先焊于接線端子上0°、45°、90°（每個(gè)角度有兩根測(cè)試線）。

4）接數(shù)據(jù)線：

0°接在第一通道上的S1+、AGND；

45°接在第二通道上的S2+、AGND；

90°接在第三通道上的S3+、AGND；

補(bǔ)償線接在第四通道上的S4+、AGND。

5）設(shè)置采集軟件相關(guān)參數(shù)，開始采集數(shù)據(jù)，并將應(yīng)變傳感器清零。

6）用直徑為1.5mm的鉆頭在應(yīng)變片中心處打出1.5mm的盲孔。打孔時(shí)應(yīng)盡量對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變片中心。

7）依次記錄每個(gè)孔的振前應(yīng)變值。

8）起振，對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。

9）處理完畢，再對(duì)各點(diǎn)的第二組應(yīng)變片進(jìn)行打孔檢測(cè)數(shù)值。

10）記錄振后應(yīng)變數(shù)值。

11）全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)量結(jié)果均應(yīng)列表表示，按公式計(jì)算殘余應(yīng)力的大小和方向，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

最終結(jié)果見表1。

檢測(cè)結(jié)論：振動(dòng)時(shí)效前后測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力的降低幅度值（相對(duì)處理前）為62.6%～86.5%，平均值為75.5%。通過對(duì)工件振動(dòng)時(shí)效處理，振后每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力消除均在30%以上，所測(cè)的測(cè)點(diǎn)振前和振后應(yīng)力降低率為45%以上。按照J(rèn)B/T 10375-2002要求，振前和振后的應(yīng)力降低率大于30%，說明消除焊接殘余應(yīng)力的效果良好。

表1　殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)語

降低和消除金屬工件的殘余應(yīng)力是十分必要的。特別是在航空航天、船舶、鐵路及工礦生產(chǎn)等領(lǐng)域，由殘余應(yīng)力引起的疲勞失效更不容忽視。

目前針對(duì)殘余應(yīng)力的不同處理方法有：自然時(shí)效方法和人工時(shí)效方法（包括熱處理時(shí)效、敲擊時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、超聲沖擊時(shí)效）。相比之下，振動(dòng)時(shí)效操作簡(jiǎn)單，成本低廉，且效果良好。通過本文實(shí)際測(cè)試，再次證明振動(dòng)時(shí)效效果良好。

目前國(guó)際上關(guān)于殘余應(yīng)力的測(cè)量方法多種多樣，就機(jī)械方法中有盲孔法、切割法、套環(huán)法，其次還有針對(duì)一定對(duì)象的環(huán)芯法。切割法和套環(huán)法測(cè)量殘余應(yīng)力具有較大的破壞性，本文使用的盲孔法，試驗(yàn)破壞性小、適用性強(qiáng)，數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)確度較高，試驗(yàn)過程及操作較為簡(jiǎn)單。

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Vibration aging application and residual stress test

Chen Demin
（BeiJing BeeTech Inc）

This paper discussed the reasons for the formation of residual stress， residual stress eliminating technology and residual stress testing technology， and given a kind of vibration aging and residual stress test instance. This paper had important reference value for related engineering and technical personnel.

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