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振动时效消除应力方案

2021-08-29 16:06 已有人浏览

振动时效消除应力方案

一、关于振动时效消除应力的原理
近二十多年来,国内外出现了“振动处理技术”用来调整金属构件内的残余应力,以代替热处理技术,它属于机械作用法。这种新技术在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”(简称VSR)。由于这种方法可以降低或均化金属构件内的残余应力,因此可以提高构件的使用强度,减少变形,可以防止或减少由于热处理和焊接产生的微观裂纹。特别是在节省能源、处理时间上具有明显效果,因此被许多国家大量使用。
振动消除应力实际上就是用周期的动应力叠加,使局部产生塑性变形而释放应力。振动处理时,通过激振器对被处理金属构件施加一动应力,如果动应力幅与被处理的金属构件上某些点所存在的残余应力之和达到或超过材料的屈服极限时,这些点将产生晶格滑移,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,而且这种塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是振动时效消除残余应力的机理。即
      σ>σs
式中:σ——施加在被处理件上的周期动应力。
σ——被处理件中的残余应力。
σs ——被处理件材料的屈服极限。
根据上述机理和大量实践,表明振动时效的一个突出特点是:高应力降低的比例大,特别是应力集中处,残余应力降低快。
由于振动时效的上述作用,使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可,1991年制定了国家行业标准JB/T5928.91(现实行JB/T10375-2002),并在1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目,在全国普遍推广。有机床、重型机械、冶金设备、造船、铁路、化工机械、汽车制造、核工业等机械构件都可以采用振动时效来消除应力,代替原热时效工艺。特别是振动消除应力近几年运用到国防、航空、航天等高新技术中,其中高速铁路,航天飞机发行架均采用了振动消除应力技术。
二、振动时效处理对金属构件的作用
振动时效是对具有残余应力的金属构件进行振动处理,使构件在共振频率下振动。由于在共振状态下构件按一定的振型产生弹性变形而产生动应力,当这个动应力与构件上各点的残余应力相叠加后,大于材料的屈服极限,则在该点出现局部的塑性变形,因而应力得到释放。所以振动时效从原理上来说,就是降低构件内的残余应力。应力降低的水平与构件内的动应力大小有关,动应力大则消除应力的效果高,动应力小,消除应力的效果也低。 
振动时效既然可以降低应力,则必然可以消除或降低残余应力对构件的影响。其作用有如下几方面:
①降低和均化应力,消除应力集中,防止裂纹
因为振动过程中残余应力大的点首先进入屈服,所以高应力点下降的比例大,使应力均化程度高,从而降低应力集中而防止裂纹。
②减少或防止构件变形
构件的变形是由于残余应力特点造成的,因为残余应力的分布和量值具有很大的随机性,分布不均且量值差别太大,所以容易产生变化,即可变性。残余应力的变化,必然使构件产生变形,因此在使用前或安装前,通过振动时效使应力降低和均化,必然防止或减少变形。
③提高焊接构件的疲劳寿命,增加使用周期
通过大量的实验和实践证明,振动时效可提高焊件的疲劳寿命50%以上,提高使用寿命0.5~1倍。
由于振动时效的上述作用,使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可,1991年制定了国家行业标准JB/T5926.91,并在1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目,在全国普遍推广。
三、振动时效具有的特点:
1)投资少,生产周期短
2)使用方便,适应性强
3)节约能源,降低成本
4)机械性能显著提高
5)符合环保要求
6)操作简单,易于实现机械自动化。
7)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。
四、振动时效工艺的简单程序
振动处理技术又称做振动消除应力。它是将一个具有偏心重块的电机系统(称做激振器)安放在构件上,并将构件用橡皮垫等弹性物体支承,如图2.1所示。通过控制器起动电机并调节其转速,使构件处于共振状态。约经20~30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。
振动时效优于热时下的特点在于:
被处理工件的机械性能显著提高:经过振动处理的构件其残余应力,高拉应力区消除的比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命,降低应力腐蚀。可以防止或减少由于热处理、机加工等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力,稳定构件的精度,提高机械质量。
使用简单效率高:由于设备简单易于搬动,因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制,从几十公斤到几百吨的构件都可使用振动时效技术。特别是对一些大型构件无法使用热时效处理时,振动时效就具有更加突出的优越性。
减少污染节约能源能源和费用:振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需一至二天以上,且需大量的煤油、电等能源。因此,相对于热时效来说,振动时效可节省能源95%以上,可节省费用95%以上,特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。
振动时效,它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下,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—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。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。
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