振动时效调整应力的原理

点击数:2862020-02-27来源: 振动时效机

振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加,使局部产生塑性变形而释放应力。这里,残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用的。
  振动处理是对构件施加一交变应力,如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时,这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,也同样会产生微观的塑性变形,况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上,因此,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是用振动时效可以消除残余应力的机理。
  振动消除应力是在交变应力达到一定周次后实现的,这就是包辛格效应作用的结果。
一、等幅荷载反复作用下金属材料的应力与应变
图2.2是将试件在材料试验机上进行拉伸,当荷载为变幅递升多次反复时的应力-应变曲线示意图。从图中曲线可见,材料的屈服极限在逐渐提高,残余变形在逐渐增大,最后导致破坏。而图2.3是等幅(σ0>σS)重复荷载作用下的拉伸曲线示意图。σ0为重复荷载的幅值,σ0>σS。从图中可见,每次拉伸都使屈服点比前一次有所提高,滞回曲线面积减少,残余变形减少。经过若干次之后,残余应变为0,说明不再出现新的塑性变形,材料的塑性被强化为弹性,材料处于安定状态。这正是振动时效力学机理的静态模拟。


图2.2 变幅荷载下拉伸曲线 图2.3 等幅重复荷载拉伸曲线
二、振动处理过程中材料的应力和应变


图2.4 交变应力下的应力和应变
  振动处理是对构件施加-交变应力,而残余应力相当于平均应力而改变了总应力的应力水平。但在交变应力作用下,残余应力是一个不稳定的力学量,在振动处理过程中逐渐下降,使总应力水平降低。图2.4是Luban Felger的示意图。从这个图中可以看到在振动处理过程中残余应力的变化情况,当材料受到等幅交变应变作用(εC-εB]时,如果材料已经屈服,则残余应力下降。设处理前的残余应力为σA,回线ACB是第一次交变循环时的应力和应变曲线。当总应力超过A点后,材料进入塑性直到C点。而CB又平行于弹性线,CB末端却又偏离弹性线。这些现象都是由包辛格效应所致。经过一定次数的循环后应力和应变均处于稳定的回线上。如图中曲线所示,残余应力由σA下降到σB而不再变化。
图2.4与图2.3从原理上说是相同的,都说明要使构件中的残余应力下降,必须使作用应力叠加后大于材料的屈服极限,即
σ动+σ残>σS
  如果残余应力下降后,作用应力与残余应力之和小于屈服极限时,则构件保持稳定的应力状态。因此振动处理到一定周次后,如果不提高作用应力的量值,则继续处理已不再起作用。
三、残余应力与作用应力关系的实验研究
  在文献中,Wozney等人做了如下实验:对薄板试件(SAE1070,7.6×1.9×0.13cm)进行喷丸处理后,施加交变弯曲应力,使残余应力发生变化。其结果如表2.1所示。残余应力是用X射线法测定的。试样2是喷丸处理的,试样3~6是喷丸后又施加了交变应力。经高应力交变处理时,残余应力有明显的下降。作用应力低则残余应力变化小甚至不变化。图2.5是根据这些结果所示的在交变应力作用下残余平均应力的变化规律。从图中可见,当处于弹性极限直线所包围的内部状态时(例如试件3),即使有应力交变作用,平均应力也不变化。而试样4~6在交变应力作用下,平均应力都将向弹性极限直线移动,这些都是在压应力状态下应力的变化情况。即使在拉应力状态下,也仍然如此,如图中B点,在交变拉应力作用下向C点移动;在A点时,平均应力就不发生变化。这些都和图2.4所反映的规律是一样的,即作用应力和残余应力之和必须大于材料的屈服极限时,平均应力才能下降。

表2.1 用振动消除薄板试样的残余应力



图2.5 应力循环引起的平均应力变化规律
  为尽量明确作用应力与残余应力的关系,文献中曾用板梁的振动处理结果来说明,如图2.6:用一普通钢制成的长1200mm、宽120mm、厚16mm的板梁,在其上表面堆焊出两条焊道,测其残余应力为150MPa左右。将板梁一端固定成悬臂状,并在另一端激振,由应变片1测其动应力为80MPa。


图2.6 板梁的振动处理
       经30分钟的振动处理后,再次测图中梁上三点的残余应力,其变化由表2.2给出。不难看出同上面一样的结果:动应力越大消除应力的效果越好,而消除应力的最必要条件是作用应力与残余应力之和必须大于材料的屈服极限,
即σ动+σ残>σS


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