振动时效原理

振动时效是用激振设备在构件残余应力集中处施加等幅交变循环激振力，构件在共振状态下获得较大的激振动应力，在某个方向上的合应力超过材料的屈服极限，该处会产生屈服变形，引起残余应力松弛并释放出来，使残余应力均匀分布。这种方法不仅能有效地降低峰值残余应力，而且能使整体残余应力值下降。

下图为金属材料受等幅交变应变ε_B-ε_C作用时的应力应变曲线，图中OA为弹性载荷段，构件的初始残余应力为σ_A，ACB是第一次发生屈服变形后的应力应变曲线。构件内的总应力超过屈服点而发生变形，在C处残余应力沿弹性卸载荷线CB'下降，经过D点后曲线偏离CB'至B点，完成一次交变应变循环。经过多次交变循环后，曲线循环稳定为C'E'B"EC'，此时残余应力由σ_A减小至σ_E，残余应力减小至稳定的过程就是振动时效宏观机理的直观表示。

要消除或减小工件中的残余应力，必须满足以下条件：

(1)构件内部残余应力与激振器施加的激振动应力叠加后的总应力应超过材料屈服极限。即σ_残+σ_动>σ_s，其中：σ_残为构件内部残余应力，σ_动为激振动应力，σ_s为材料的屈服极限。

(2)随着振动时效时间的增长，构件内部的残余应力会由于发生塑性屈服而下降。当残余应力降低到与振动应力叠加后等于新的屈服极限时，构件内的将达到平衡，使构件尺寸稳定性得到提高。

(3)残余应力随时效振动的进行而降低，并最终达到平衡，如果要继续降低σ_残，就必须增大σ_动，否则在构件达到平衡后的振动是无效的。

从微观角度来看，残余应力降低的本质是通过某种微观或局部的塑性变形使构件中的弹性应变能逐渐释放的过程。构件晶体内有大量位错存在，在循环应变下，位错克服阻力产生滑移，使晶体产生微观塑性变形，残余应力的峰值降低，使构件原来的内应力场发生改变，内应力降低并重新分布,进而达到平衡。

在振动交变应力的连续激励下，会不断被激发出位错。随着不断对构件施加循环应力，位错将会变得更加均匀，位错的移动，即晶体屈服的开始，此时材料开始发生塑性变形。上述过程将会使应力集中区的应力减小，残余应力的峰值降低。

振动时效特点

在机械制造、航空、化工器械、动力机械等行业中，用钢、铸铁、有色合金等材料制造的各类零件成功地采用了振动时效。振动时效之所以得到各方面的普遍重视，是由于它具有如下特点：

1、投资少。与热时效相比，它无需庞大的时效炉，可节省占地面积与昂贵的设备投资。现代工业中的大型铸件与焊接件，如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉，不仅造价昂贵，利用率低，而且炉内温度很难均匀，消除应力效果很差。采用振动时效可以完全避免这些问题。

2、生产周期短。自然时效需经几个月的长期放置，热时效亦需经数十小时的周期方能完成，而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成。而且，振动时效不受场地限制，可减少工件在时效前后的往返运输。如将振动设备安置在机械加工生产线上，不仅使生产安排更紧凑，而且可以消除加工过程中产生的应力。

3、使用方便。振动设备体积小，重量轻，便于携带。由于振动处理不受场地限制，振动装置又可携至现场，所以这种工艺与热时效相比，使用简便，适应性较强。

4、节约能源，降低成本。在工件的共振频率下进行时效处理，耗能极小。实践证明，功率为186~746W的机械式激振器可振动150t以下的工件，故粗略计算其能源消耗仅为热时效的3%~5%，成本仅为热时效的8%~10%。

5、振动时效操作简便，易于实现机械化自动化。可避免金属工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，是目前唯一能进行二次时效的方法。

振动时效工艺

1、运用振动理论对工件进行预分析

根据工件形状，分析可能出现的振型。

①梁型零件：工件的长与宽比>3、与厚度比>5。

支撑方式：两端自由，用3-4个橡胶垫支撑工件在距一端2/9处和7/9处。

激振器固定在工件中央或中间一侧。

②箱型零件：工件长、宽、高比例接近，因其固有频率高，一般激振器电动机转速难以达到，可以通过刚性连接方式形成梁型工件加以处理。

③板型零件：工件长宽接近，长度与厚度比>5。

支撑方式：两端自由，用4个橡胶垫支撑工件在距一端1/3处和2/3处。

激振器固定在工件中间。

④圆形工件：直径与厚度比>5，以4点支撑为住，布置在互垂直的两直径端部。激振器刚性卡在两支点之间。

⑤若工件长宽比很大、刚度小，应考虑多阶振型激振方式。

⑥小型零件应采用振动台集中处理方式。

2、振动扫描工件固有频率和振动强度

①处理对象的选择：工件在振动时效时是一个振动体，它的共振频率与其自身的质量、刚度、阻尼有关。采用振动时效要使工件能在激振器的频率范围内产生共振，也即工件与激振器固定后振动体固有频率应小于激振器最高频率。因为大部分国产激振器电动机最高转速10000r/min，只能激发固有频率在167Hz以内的工件。当然可以采用单臂悬伸、多件刚性连接等降频措施，或实行倍频共振等技术。

②扫描工件频率：振动时效设备以自动扫描方式检测出被时效处理工件的共振频率和合适的振动能盘强度。

③振动强度是指振动处理时激振器施加给工件的动应力。附加动应力与工件残余应力叠加后，造成工件局部或整体塑性变形能够使工件残余应力释放、均化、消除，进而提高基体抗变形能力。研究表明过载系数K=动应力/残余应力，能够体现振动时效处理的有效性，通常K值为0.45取值较合理。在没有动应力检测的条件下可以用振幅指标替代。

3、振动处理

①激振：调节振动时效设备达到扫描检测的工件固有频率，回复至亚共振状态，给予适度的激振力，保持激振时间获得时效效果。

②激振时间：振动时间的长短意味着加载次数，根据美国马丁公司“二次扫描分析法”推荐：1t以内，10～15min;1~3t，15-20min;3～5t，20～30min;5t以上，30～40min。

③工件支撑点及激振点的选择：不同类型的工件具有不同的振型，最佳的支撑位置应该是工件振动波的节点处，支撑处采用弹性材料(橡胶垫等)。最佳的激振点是工件振动波的波峰处，将激振器刚性夹持戏此处，能够激起最大的共振幅值和动应力。

振动时效效果评定

1、残余应力测试法：通常有切割法、小盲孔法、X射线检测法，由于上述方法有一定的破坏性，现场难以操作仅作为实验使用。

磁检测法：具有设备简单、易于操作、数据直观等特点，它不仅可以检测残余应力也可以测量载荷作用下的应力变化。原理为：在磁场作用下应力产生磁异性，将磁导率的变化转化为电信号，通过传感器和电路，输出的电流(或电压)值反映应力的变化。该种方法随着技术和产品的不断成熟会扩大应用，但工件表面粗糙度有一些影响。

2、尺寸稳定性检测：尺寸稳定性是定期对工件尺寸精度的测量来实现的。一是观测工件尺寸精度随时间延长发生的变化，二是测量工件在动、静载荷作用下的尺寸变化(可与热时效比较)。此种方法效果好，但时间在3个月以上，只适用在验证新型零件或新型工艺上。

3、参数曲线观测法：可根据振动时效设备处理过程实时打印a-t曲线的变化及a-n曲线振前后的变化评估振动时效效果。出现下列现象可判定振动时效有效：①a-t曲线上升后变平;②a-t曲线上升后下降，最终变平;③a-n曲线振后共振峰出现振幅升高、降低、左移、右移;④a-n曲线变得简洁而平滑;⑤a-n曲线振后出现低幅振峰增值现象。

振动时效技术的发展方向和前景

目前，振动时效技术已在建筑、机械、装备制造等领域得到了广泛的应用。振动时效技术与自然时效和热时效技术相比，具有低能耗、高效率、低成本、绿色环保等优点。随着产品制造技术的发展，对构件性能的要求越来越高，新的时效工艺和理论也在相应地不断发展。综合当前的研究成果，振动时效技术仍存在以下问题值得深入研究探索：

1、应力调控的微观作用机理

需要研究如何利用振动或蠕动的频率、功率和时间去打破、消弱或增强晶格间约束力的机理，以及研究高能声波在材料内部以强烈振幅传播所造成的局部升温对材料晶体原子克服位错阻力做功的关系。最终通过有效地控制晶格间的约束力和松弛状态来实现有效调节和控制残余应力。

2、振动时效效果检测技术

参数曲线观测法及精度稳定性检测法均属于定性检测技术，难以获得定量数据。残余应力测量法虽然属于定量检测技术，但各种检测方法均包含一定的缺点，检测精度不高，误差较大，特别是对于低幅值的残余应力精确检测能力不能满足需求。

3、残余应力调控闭环装置的研发

在通过振动调控残余应力的同时，实时检测调控区域内的残余应力，将残余应力值作为反馈信号提供给调控系统，使得调控系统及时判断下一步的调控指令，从而实现对构件的局部原位定量闭环调控。目前，国内外还没有该类闭环装置。该装置的研发与生产将对机械制造工艺方案和在役构件的安全服役产生深远影响，具有良好的应用前景。