残余应力的产生和时效方法

作者：哈尔滨瑞锋振动时效技术有限公司 卢会洲

欢迎访问e展厅 展厅 11 铸造机械/压铸设备展厅 造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ... 金属构件(铸件、锻件、焊接件)在冷热加工过程中产生残余应力，高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力就十分必要了。 一、残余应力的产生 1.铸造应力的产生 (1)热应力 铸件各部分的薄厚是不一样的，如机床床身导轨部分很厚，侧壁.筋板部分较薄，其横向端面如图一所示。铸后，薄壁部分冷却速度快收缩大，而厚壁部分，冷却速度慢，收缩的小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍，所以薄壁部分受拉力，厚壁部分受压力。因纵向收缩差大，因而产生的拉压也大。这时铸件的温度高，薄厚壁都处于塑性状态，其压应力使厚壁部分变粗，拉应力使薄壁部分变薄，拉压应力 ，随塑性变形而消失。 铸件逐渐冷却，当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时，压应力使厚壁部分产生塑性变形，继续变粗，而薄壁部分只是弹性拉长，这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却，当薄厚壁部分进入弹性区时，由于厚壁部分温度高，收缩量大。但薄壁部分阻止厚壁部分收缩，故薄壁受压应力，厚壁受拉应力。应力方向发生了变化。这种作用一直持续到室温，结果在常温下厚壁部分受拉应力，薄壁部分受压应力。这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同，塑性变形不均匀而产生的，叫热应力。 在导轨或侧壁的同一个截面内，表层与内心部，由于冷却快慢不同，也产生相互平衡拉压的应力，用类似与上述方法分析，可知在室温下表层受压应力，心部受拉应力，并且截面越大，应力越大，此应力也叫热应力。 (2)相变应力 常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%，属于亚共晶铸铁，由结晶 过程可知①：厚壁部分在1153℃共晶结晶时，析出共晶石墨，产生体积 膨胀 ，薄壁部分阻碍 其膨张，厚壁部分受压应力，薄壁部分受拉应力，薄辟部分受拉应力。厚壁部分因温度高，降温速度快，收缩快，所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在共析(738℃)前的收缩中，薄厚壁均处于朔形状态，应力虽然不段产生? 但又不断被塑性变性所松弛，应力并不大。当降到738℃时，铸铁发生共析转变，由面心立方，变为体心立方结构(既γ-Fe变为a-Fe)，比容由0.124cm3/g增大到0.127cm3/g2。同时有共析石墨析出，使厚壁部分伸入，产生压应力。上述的两种应力，是在1153℃ 和738℃两次相变而产生的，叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反? 相变应力被热应力抵消。在共析转变以后，不在产生相变些力，因此铸件由与薄厚冷却速度不同所形成的热应力起去起主要作用。 (3)收缩应力(亦叫机械阻碍应力)： 铸件在固态收缩时，因受到铸型.型芯.浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后，型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的的塑性变形，产生残余应力。收缩应力一般不大，多在打箱后消失。 (4)残余应力的分类残余应力的分类有许多种③，如： a)按应力产生的原因，有热应力.相变应力.收缩应力。详细内容如上所述。 b)按应力方向分有拉应力(力的方向向背的应力)，压应力(力的方向相同的应力)。 c)按影响区域的大小分有： 第一类应力，亦叫宏观应力。它是存在与整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力? 如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧臂分布的压应力等。 第二类应力，亦叫微观应力。它是存在与一个晶粒或几个晶粒内，并保持平衡的应力。 例如：晶粒1.2.3.4.5同处拉应力的应力场中，应力大小为σ。从金属物理④可知：各个 晶粒所受的切应力与取向因子成正比。假设晶粒1的取向因子最大，则晶粒1切应力最大? 若此切应力略大于临界内应力，则晶粒1产生塑性变性。其与个晶粒处于弹性状态。 当应力σ除掉后，晶粒2.3.4.5均为回复到原状态，但晶粒1产生塑性伸长，不能恢复到 原状态，阻碍2.3.4.5晶粒回复，结果晶粒1受拉应力。其余各晶粒受拉应力。这种在几 个晶粒间存在并保持平衡的应力，称为第二类残余应力。 第三类应力，亦叫超微观应力。它是存在与几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。 例如，间隙原子与溶剂原子间存在的应力。 d)按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为： 临时应力，所产生应力的条件消失后，应力也随之消失。 残余应力，亦叫残留应力或内应力。产生应力的条件消失后，应力依然存在于工件不同 部位的应力叫残余应力。如热应力.相变内力.收缩应力等，都是残余应力。 上述分类法，亦适用于焊接件、锻件等。 2.焊接应力的产生： 焊接中.焊缝处温度迅速升高，体积膨胀。热影响区温度低，阻碍焊 缝膨胀，结果焊缝处产生压应力，热影响区产生拉应力。热影响区产生拉应力。但此 时焊缝处于塑性状态，焊缝被压应力墩粗，松弛了此应力。 焊后冷却后，热影响区冷却速度快，很快进入弹性状态，焊缝处温度高，处于塑性状态。这是焊缝收缩，较热影响区收缩慢，焊缝阻碍热影响区收缩，焊缝仍受压应力，影响区受拉应力。但焊缝处于塑性状态，焊缝的塑性墩粗，松弛了此应力。 热影响区温度不断降低，冷却速度也变慢，当焊缝的冷却速度高于热影响区时，焊 缝收缩较快，焊缝的收缩受到热影响区阻碍，应力方向发生了转变：焊缝受拉应力，热 影响区受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时，因焊缝温度高，冷却速度快， 收缩量大，热影响温度低，冷却速度低，收缩量小，焊缝收缩受到热影响区阻碍，结果 焊缝受拉应力，热影响区受压应力。此时没有塑性变形，这一对压应力，随着温度的降 低，焊缝收缩受阻碍越来越大，拉应力也越来越大，直至室温，拉应力可近似于屈服极 限。 综上所述，铸造.锻造.焊接等都必然产生残余应力。焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈服 点的拉应力。而铸铁件由于石墨尖端的松弛，残余应力不高，其铸造应力范围列与表一。 各种铸铁件的铸造应力单位：N/mm2 铸铁种类 灰铸铁 合金铸铁 蠕虫状石墨铸铁 球墨铸铁 残余应力 52.3 106.3 127-137.3 180 二.时效方法简介 构件在冷热加工过程中，必然产生残余应力，因此消除残余应力的时效工序就十分必要了。 凡是能降低残余应力，使工件尺寸精度稳定的方法都叫"时效"。 时效方法有：热时效.振动时效.自然时效.静态过载时效.热冲击时效等。后两种方法应用少不再讲述。 1.自然时效 自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，经过几个月至几年的风吹. 日晒.雨淋.和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。再温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。 自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置，石墨尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。 2.热时效 热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550℃左右，保温4-8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。 热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长，会引起石墨化，构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。 热时效如果降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力(二次应力)，并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。 降温速度对消除残余应力的影响 降低温度速度℃/小时 残余应力消除的百分数(%) 130 6-27 50 40-50 30 60-85 注：炉内温度差不大于25℃ 热时效存在的问题： 1) 建窑占地面积大，费用高(每立方米1-1.2万元)。 2) 热时效能耗高，生产成本高。 3) 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。 热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果 序号 工件在炉内的位置 残余应力的大小 (kgf/mm2) 时效前 时效后 应力消除的百分比( % ) σ1σ2σ1σ2σ1σ2σ1σ2平均 1 炉前段10.4 7.9 6.6 6.2 36.7 21.4 29.1 2 炉中部10.4 7.9 5.1 1.6 51.2 79.6 65.4 3 炉门处10.4 7.9 9.1 8.1 12.6 -2.4 5.1 可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。 4) 热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。 三.振动时效 振动时效是"锤击松弛法"(敲击时效)的发展。可用木锤.橡皮锤.紫铜锤等，敲构件的合适部位，可激起构件共振。如用拾振器.测振仪和光线示波器可记录下构件作自由衰减振动的振型。 其衰减振型的解析式为： X=Ae‐acosωt A：敲击后的振幅幅值。 a：衰减系数。 ω：构件的固有频率。 t：时间 锤击松弛法是给工件一个冲击力，击起工件的响应，工件以自己的固有频率和迅速衰减的振幅作减幅振动。敲击后的最初振幅大，在构件内引起的"振动力"也大。这一振动力 多次反复作用，当它与残余应力迭加时 ，在应力集中处超过材料的屈服极限σ.,引起局部塑性边性变形，松弛了应力，使应力峰值降低。 锤击松弛法，是敲击后的"大振幅" 对时效起作用。于是人们得到启迪：为什么用一激振力，激起构件的响应，并在大振幅下持续振动一定时间，使工件内的"振动力"与残余应力迭加，在应力集中处引起塑性变形而松弛应力？在此思想下产生了振动时效技术。 振动时效，在国外称之为"V.S.R"技术，它是Vibratory Stress Reliele的缩写。它 是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使构件共振，进而松弛残余应力，提高构件的松弛刚度，使其尺寸稳定的方法。振动时效是热时效的补充和发展，可在很大范围内代替热时效。原机电部等六个部委将振动时效定为第七个五年计化间推广的节能项目，并将此类产品定位替代进口产品。目前我们的HRFvsr2000a智能型谐波振动时效设备已经达到国际先进水平，国家环保总局将振动时效装置定为节能产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/23/2005)