振动时效对金属结构疲劳强度影响的初步探讨

作者：黄维平 曲延安

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 振动时效技术已为越来越多的人们所接受，不仅由于它节省能源、降低生产成本，而且更由于它工艺简单、生产周期短，克服了某些热处理工艺所无法摆脱的问题(如表面氧化、脱碳等)而倍受人们青睐。目前，在机械加工制造行业已普遍采用了这项新技术，不仅为国家节约了大量能源，而且缩短了生产周期、降低了生产成本。例如，铁道部长春客车厂采用振动时效处理209型客车转向架后仅节约热处理能耗一项，每年可为国家节约70.9万元，抚顺机床厂由于采用了振动时效工艺，创造了三个月任务一个月完成的生产记录。 振动时效技术在降低残余力方面已可以与热处理相媲美，但由于它的工艺特点(用振动方法在结构件上施加交变应力，以达到降低应力的目的)，使许多人(包括从事研究和使用人员)仍对它的前景持怀疑态度，这主要因为关于它能否引起结构件的疲劳破坏还存在不同认识。本文仅对此作一初步探讨，并给出实验结果。 1 残余应力对疲劳寿命的影响 由于焊接、铸造等工艺引起的残余应力在工程结构中大量存在，常规设计时，是以焊缝系数来综合计入残余应力及金相组织等的影响的。有关残余应力对结构疲劳强度的影响已开始引起人们的重视。国外已有人开始修订疲劳设计准则，将残余应力的影响纳入规范。从大量的实验结果可以看到，残余应力的影响是不容忽略的。Kudryavtsev早在1956年就得到了这样的结果，他用纵向非承载角焊缝试件做了对比试验，在2×106次循环条件下，消除应力试件疲劳强度为±74N／mm2，而未消除应力试件为±29N／mm2，提高了150倍。并且用辅助试验证实了疲劳强度的提高是直接由残余应力引起的，而不是消除应力的冶金及作用[1]英国焊接研究所为更新Bs153中的疲劳设计准则所进行的大量试验也给出了类似的结果(见图1)。 图2、图3是我们分别对焊接管节点和带横向对接缝试件的试验结果[2]，如果说Kudryavtsev和英国焊接研究所的试验中，疲劳寿命的提高还可能包含消除应力过程中的冶金作用的话，那么，我们的试验结果完全可以肯定地说，疲劳寿命的提高是消除应力的结果。因为，我们应用了振动时效技术消除试件中的残余应力，而这种工艺是不会在试件中产生冶金作用的。因此，可以充分证实残余应力对疲劳强度的显著影响。 残余应力的这种影响可以从断裂力学的理论中得到解释。在大量的实验中人们发现，除了应力强度因子幅值△K外，平均应力等因素对疲劳裂纹的扩展也有影响。这种影响可以从图4中看出。图中给出了在不同循环特性(R=Kmin／Kmax)时，用Paris公式整理的da／dN-△K曲线。在同一△K值时，R值越大（平均应力越高），da／dN越大。因此，平均应力为压应力时，疲劳裂纹扩展速率将比平均应力为拉应力时低[3]。这表明了压缩残余应力可以提高疲劳强度。 图5是对表层分别为拉伸残余应力(?滓r>0)，压缩残余应力(?滓r>0)和无残余应力(?滓r=0)中心切口板试件的疲劳裂纹扩展试验结果[3]。 从上面的分析中看出，残余力改变了交变载荷的名义平均应力，从而改变了循环比R。在残余应力和循环应力叠加后未达到材料的屈服强度时，可以这样来分析结构的疲劳强度，而一旦残余应力和工作应力之和超过了材料的拉伸屈服强度，则结构中实际的应力循环又是另一种情况，由于材料已进入屈服，因此，实际的应力循环都是从拉伸屈服应力向下变化， 理论分析与实验结果都表明：残余应力的存在严重影响了结构的疲劳强度，尤其是焊缝处高达屈服强度的拉伸残余应力将大大降低焊接结构的疲劳强度。 2振动时效与疲劳寿命 振动时效技术能有效地降低残余应力，稳定结构尺寸，已有大量的应用实例。从降低残余应力这个作用来说，它也将提高结构的疲劳强度，并且已经有了这方面试验结果。如前面已给出管节点试验结果和我们为长春客车厂做的客车转向架试验结果(见表1)[5]。 不过，振动载荷也是一种疲劳载荷，因此，振动时效过程也可以说是一个“疲劳”过程，它能否造成疲劳损伤，降低疲劳强度的问题一直为人们关注。 有关这方面的微观机理研究还没有报道，但是用现有疲劳理论可以给出合理的解释。 疲劳是材料中的微或亚微原始缺陷在循环载荷作用下，逐步形成宏观裂纹，最后导致材料或工程结构的破坏[6]。 断裂理论认为：疲劳破坏主要经历疲劳裂纹萌生、稳态扩展、失稳扩展和断裂。失稳扩展和断裂是无法控制的瞬间过程。因此，疲劳寿命主要是裂纹萌生和稳态扩展两个阶段的寿命。疲劳裂纹是一般成核于工程材料的微观缺陷，或由于材料性能不均匀而在较低的循环应力下表面局部区域产生的滑移带，疲劳裂纹萌生寿命包括微观裂纹的成核与扩展两个过程，是疲劳损伤的累积过程。 当金属材料承受交变载荷时，其组织与性能要发生变化(硬化或软化)。开始时，这些变化是均匀发生的，当循环周次达到一定数值时，硬化或软化达到稳定值，某些变化集中在局部区域进行，使这部分材料发生分离，即萌生微观疲劳裂纹[6]。裂纹一旦萌生，疲劳行为就由材料的整体转移到裂纹尖端的局部区域，疲劳裂纹长度随着循环次数相对缓慢地增大。 为了考虑振动时效对疲劳寿命的影响，我们做了两组无残余应力光滑小试件的疲劳寿命试验，试件为材料供货态，其结果见图6，从图中可以明显地看出，经振动时效处理的试件与未经振动时效处理的试件其疲劳强度无明显差异。显然，振动时效并没有引起疲劳损伤，降低疲劳强度。按照疲劳累积损伤理论分级加载时，不同加载次序所得的寿命不同，值得注可能是先低后高的加载次序使材料在低载荷下得到了“锻炼”且没有造成损伤所至，而先高后低却使材料在高载荷下造成的损伤在低载荷下继续增长。可以认为，材料在无限寿命的载荷作用下，不会造成损伤。 在分析残余应力对疲劳强度的影响时，我们知道，在具有高达屈服强度的拉伸残余应力时，应力循环都是从屈服强度向下变化的，应力水平较高，即使在低于屈服强度的位抻残余应力情况下，如果与工作应力叠加后，应力达到屈服强度，那么，应力将仍是从屈服强度向下变化的，因此，极易造成疲劳损伤。即使叠加后的应力没有达到屈服强度，残余应力也将作为一种稳定的应力状态来改变循环载荷下的平均应力，加速疲劳损伤。 振动时效是采用低应力降低高残余应力的方法，施加的动应力较小，且循环周次一般不超过10次，那么，根据线性累积损伤理论，如此的应力循环在整个疲劳损伤的累积过程中其影响是微乎其微的，其次，经振动时效后结构件“经受了低载荷锻炼”，属于多级载荷循环中的先低后高者，其累积损伤指数大于1，因而其寿命较长。 综上所述，振动时效技术在消除残余应力的基础上，能够提高结构件的疲劳寿命。 参考文献 [1] T.R.Gurney等.黄维平译.关于残余应力对疲劳强度影响的一些近期研究工作.振动消除应力译文集，大连工学院工程力学系结构试验室科研资料，1987,5. [2] 黄维平.关于振动时效技术的几个问题研究.大连理工大学硕士论文，1989.6. [3] 王铎.断裂力学.广西人民出版社，1982.2. [4] T.R.Gurmey,Fatigue of Welded Structure,Cambridge University Press，1979． [5] 大连理工大学等.提高209型客车转向架压型焊接构架疲劳寿命的技术研究.大连理工大学研究报告,893010，1989.6. [6] 王栓柱.金属疲劳.福建科学技术出版社1986.5. [7] 徐灏.疲劳强度.高等教育出版社，1988.8.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/21/2010)