第六章振動時效對金屬構件的作用振動處理的主要作用是降低和均化構件中的殘余應力。因此，殘余應力對金屬構件機械性能的影響，通過振動時效處理都可以得到消除或降低。這也是振動處理技術能夠得到廣泛應用并進一不擴大其適用范圍的依據。而熱時效的試樣其屈服強度和抗拉強度值均下降。下面做個試驗。用 16Mn鋼材，制備三組焊接試二、材料斷裂韌性的測試和分析制備標準三點彎曲試樣，仍然按上述三種情況處理。用多試樣阻力曲線法測試材料Jic二、材料斷裂韌性的測試和分析制備標準三點彎曲試樣，仍然按上述三種情況處理。用多試樣阻力曲線法測試材料Jic值，利用計算機控制停機點并計算結果，見圖1。圖中每條曲線為三組試樣的均值，每組試樣有效點不少于5個。將圖1中所得的臨界J積分值Jic利用公式一、金屬材料的抗拉性能試驗結果下表為非合金結構鋼和碳素鋼焊接試樣在未經任何處理、振動處理及熱處理三種工況后的抗拉試驗結果，表明振動處理基本上不改變材料的抗拉性能。表1 試樣抗拉性能試驗鋼處理方式屈服點？s(MPa抗拉強度?b(MPa)延伸率5(%)不處理331.47517.8125.5普通結構鋼振動處理327.55506.0424.0退火231.44448.1833.0碳素鋼不處理461.91675.7013.0振動處理472.69686.4914.5(0.4一0.5%c)退 火301.07557.0418.5樣：其中一組未經任何處理；一組做了熱時效處理，處理條件按JB741---80《鋼制焊接壓力容器技術條件》規定工藝進行；另一組采用振動時效，其激振應力為 Z動=98.07MPa。實驗結果見表2與表1數據相比說明兩次實驗結果基本一致， 所不同的是表1中給出的結果是熱處理后的屈服強度與抗拉強度均下將，而表 6中的結果是沒有變化，這是與處理工藝有關。但振動時效不改變材料抗拉性能這一點是一致的。表2 16Mn 鋼材試樣抗拉性能試驗性能工況zs(MPaZb(MPa)6(%)書(％)E(GMP)g不處理391.30544.0918.5073.00209.80.30振動時效392.28549.1918.5074.00204.90.28熱處理392.28544.2919.6071.00209.80.26圖b三種處理結果4001 十8200 ... [-1)Ju=87.5A545.0802(未處理)jR-104J4+719J5Aa(熱時放)*=108.56+71532Aa(振動時效)0.2 0.3 04 05AanunKic=[E/ffl-詳)町創/2換算為◎值:結果柚別加44為隔枷m皿耒時如49131A*1AA振動口寸效、4S54MPa*mmi/2熱時效?從結果看出，用振動時效處理的材料斷裂韌性比未時效處理的提高10%根據斷裂力學理論可知，斷裂安全的判據為：KiAKic⑴式中乂宜 酬口：Ki=Yo ⑵ 則有；Yol盂WKjc(3)對裂紋長慣 0為工作應力(包括殛余應力)； Y為試樣形狀系數振動時效后材料的殘余應力得到消除和均化，而彥斤裂韌性提高，也就是公式中的“壓降低，Kicffi的增大。樨動時效無疑對金雇構件防止脆性斷裂的能力有很犬的提高。三、振動處理對材料疲勞極限的影響振動處理對材料疲勞性能的影響是個有爭議的問題。這也影響了振動處理技術在承受疲勞荷裁構件上或壓力容器上的應用。近年來許多研究人員做了大量的實驗，結果是令人滿意的，并且也是重要的。實驗采用兩種不同方式處理的試樣：（1）焊后未做任何處理。（2）焊后振動消除應力。試樣是在同一塊板料上切取毛坯，按照同樣的工藝對焊，然后切取試樣加工。制備上述兩種試樣各一尺寸如圖2所示。為為了說3尺寸如圖2所示。為為了說3。從表中可見振動處明1234°、5678910應變值697-220657-117673-155690-120670-165120焊接產生的殘余應力，分別對兩種試件進行了測試：選標距為 1mm的單向電阻應變片貼在試件上表面的焊縫區內，如圖3所示。沿A—A刻面切開同時測量釋放應變，計算出的殘余應力見表H2試樣尺寸（mnj理的試驗件其殘余應力下降幅度為 59.50%。S3試樣殘余應力測試貼片圖表3殘余應力測試結果振動蹴未處理 圖4曲線1亦 1『處理方法￡x(X10-6)￡y(X10-6)Zx(X10MPa)Zy(X10MPa)未處理-122612727.415.56振動處理-53517911.11-0.43振動時效處理參數依據二分之一荷載法來確定，即荷載幅值為疲勞荷載幅值的二分之一，而最小值與疲勞荷載的最小值相等。所以振動處理的參數為： 荷載：Pmax=812.5kgf，Pmin=375kgf;頻率：200Hz;周數：7.5X106。實驗方式為三點彎曲疲勞試驗，在2噸高頻試驗機上進行，保持應力比為丫=0.3。試驗數據見表4,圖4為由表4數據得到的S—N曲線。從曲線上可見， 經振動處理的試件其S—N曲線明顯高于未處理件，二者的疲勞極限分別為442MPa和424MPa提高5%振動處理可以提高金屬材料的疲勞極限已被實驗驗證。但是提高的比例大小，是與試件的初始狀態有關的，如果初始殘余應力大，則因振動處理后殘余應力消除的比例大而提高疲勞極限的比例也大。可是要在標準試件上產生較大的殘余應力，相對于結構件來說是困難的。因此，用振動處理提高材料疲勞極限的比例，與用振動處理提高構件疲勞壽命的比例是不同的。

表4 試驗數據表 單位：（10MPa）試樣狀態編號最大應力Zmax最小應力Zmin應力Za平均應力Zm壽命NX106未處理161.7718.5343.2440.157.5263.1118.9344.1741.022.5356.3516.9239.4836.6610.03~4~67.1420.1446.9943.640.85561.7718.5343.2440.1510.1664.5019.3445.1241.891.95775.1922.5652.6448.870.68864.5019.3445.3241.893.56振動時效1163.1118.9344.1741.027.251267.1420.1446.9943.641.861364.5019.3445.1241.894.51464.5019.3445.1241.8962.31561.7718.5343.2440.1510.11663.1118.9344.1741.020.101769.8220.9548.8845.380.931875.1922.3652.6448.870.8311972.5121.7550.7647.130.845振振動時效在穩定工件尺寸精度、提高抗靜、動態荷載變型能力方面，均優于熱時效。這也是機床行業大量應用振動時效工藝的原因之一。這是很多實例已經證實了的。-、振動時效對零件尺寸精度的影響國內外大量試驗和實際應用已經證明，振動時效可使工件在長期使用中精度變化量比熱時效小，工件尺寸穩定所需要的時間比熱時效要短。因此說振動時效對于穩定工件的尺寸精度具有良好的作用。齊齊哈爾第一機床廠對C5116A的滑枕的尺寸穩定性做了對比性檢測，將 9件滑枕靜置在陳舊的水泥地面上，每月用合向水平儀檢測一次平直性，共觀測六個月。其中02、06、07號滑枕未作任何處理。01和03,04和05號滑枕采用串接式振動處理。用一階固有頻率激振25分鐘后，再用二、三階共振頻率個激振 2~5分鐘。08、09號滑枕在550熱時效并保溫6小時后，隨爐冷至200'C出爐。全部試樣均在22C±2C下分七段（每段橋距200mm，測02導軌的平直性，測量精度2um/m。對01、03、04、和05號試樣，在振前、振后各測一次觀測其最大變形為量為 24um說明振動處理使變形量提前在六個月的檢測中，未時效件共測量 144段，振動處理件測量192段，熱時效件測量96段。其結果如下：月最大變形為未時效件8um,振動時效件4.4um，熱時效件4.8um。表53um以上的變形段數為未時效件 30個，占總測量段數的20.8%;振動時效件20個，占總測量段數的10.4%表5未時效件振動時效件熱時效件最大月變形um1488測量頻數289306204變形量6um以上頻數3689相對頻數12.5%2.6%4.4%變形量9um以上頻數700相對頻數2.4%00Pm熱時效件有11個，占總測量段數的11.4%。表6和表7是C163床身尺寸穩定性檢測結果。該床身為 4500X500X600mm重量為1.5t。用8件靜置半年，每月測其導軌的平直性。每件分 17個測量段，每段橋距為200mm表6未時效件振動時效件熱時效件大月累計最大變形27um12um14um測量頻數454530

變形量Iium以上變形量變形量Iium以上變形量9um以上變形量7um以上頻數2934相對頻數64.4%6.7%8.9%頻數40913相對頻數89%20%43%頻數422419相對頻數91%53.3%42.2%從表5和表6中可見，熱時效和振動時效均可使最大變形減少一半以上， 且大變形的頻數顯著降低。 如月變形量6um以上的頻數，未時效件是振動時效的4.8倍，是熱時效件的2.9倍。而累計變形就更加明顯，變形11um以上的頻數，未時效件是熱時效件 7.2倍，是振動時效件的9.6倍。振動時效和熱時效都起著使尺寸穩定而提高精度保持性的作用，而振動時效更優于熱時效。這已為國內外大量試驗驗證了而得到了廣泛的應用。二、振動時效提高工件抗靜、動荷載變形能力的作用振動時效使構件的塑形變形在使用前提前發生，并降低殘余應力。因此振后的工件其彈性性能要比未振工件強，其抗靜、動荷載變形能力比熱時效工件還要好。為了測定工件抗靜、動荷載變形的能力，做一個有關的試驗。選用如圖5所示的試樣六件（應力框），每兩件為一組。分別做未時效、熱時效和振動時效三種不同處理，表面加工至△6,并選如圖5所示1—7處為測點。實驗工況為抗靜載能力測試和抗動載能力測試。1、抗靜載能力試驗沒加荷載之前先測1—7點翹曲量。然后再在材料試驗機上平放，支距為200mm在7點處加靜荷載1.4t，持續5分鐘后卸下按同樣方法進行變形量的測量，結果列于表 7中。表7 變形量試數據表(um)變形量范圍未時效件振動時效件熱時效件頻數（次）相對頻數％頻數（次）相對頻數％頻數（次）相對頻數％0—50758.31083.3650.060—10000216.718.3110-160541.700541.7表7中說明，在靜荷載作用下，未時效件落在 110?160um的大變形占總測點的41.7%，熱時效也占41.7%，而振動時效件卻為0。而小變形點（0?50un），未時效件占58.3%，熱時效占50%而振動時效件占83.3%。試驗結果說明，熱時效降低了工件抗靜載變形的能力，而振動時效卻提高了工件抗靜載變形能力25%以上。2、抗動載能力的試驗同靜載試驗一樣，在沒加動荷載之前測各點的翹曲量。再將應力框以懸臂夾持，并用振動臺以50Hz頻率進行振動處理20分鐘。取下后測量各點的變形。結果如表 8所示。狀態未時效件振動時效件熱時效件變形量（um）頻數（次）相對頻數％頻數（次）相對頻數％頻數（次）相對頻數％10~30975.012100866.740~6018.300216.770~100216.700216.7從表8中可以看出，振動時效件的測點全落在小變形段上。大變形段上振動時效測點為 0,而熱時效件與未時效件相等。不難得出結論：振動時效同樣提高了工件抗動載變形的能力，而熱時效卻降低了工件抗動載變形的能力。30%左右,30%左右,處理而改變。現以表7和表8給出的結果來說明。一、振動時效處理對A272F—0139并條機車面殘余應力的影響表9得實驗中用多組試樣做了經振動時效和熱時效后殘余應力變化的對比性試驗，得出結論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應力的功能上基本相近，而熱時效更好一些。實測A272F—0139并條機車面的殘余應力結果如表9。由表中可見，由于試樣在爐內放置位置不相同，使結果相差較大。試樣 6放在爐門處消除的比例最小。1處理而改變。現以表7和表8給出的結果來說明。一、振動時效處理對A272F—0139并條機車面殘余應力的影響表9得實驗中用多組試樣做了經振動時效和熱時效后殘余應力變化的對比性試驗，得出結論是振動時效與熱時效相比在消除殘余應力的功能上基本相近，而熱時效更好一些。實測A272F—0139并條機車面的殘余應力結果如表9。由表中可見，由于試樣在爐內放置位置不相同，使結果相差較大。試樣 6放在爐門處消除的比例最小。1--2061060100圖7殘余應力120測量貼片圖1—8為主管貼片為支管貼片表10得實驗給出了振動時效對焊接殘余應力影響的測試結果。試樣為工程上常用的T編號狀態日撇前（X10MPa）時效后（X10MPa）消除比例（％Z1Z2Z1Z2Z1Z21振動時效7.546.806.005.0820.425.4213.3010.286.386.0059.544.1310.316.617.044.7431.828.54熱時效10.387.786.576.1936.720.4510.387.785.071.6151.234.8610.387.789.078.0712.6增加3.5表9 殘余應力值對比表型焊接管、振動處理對焊接管節點焊址處殘余應力的影響節點，該試樣系采用無縫鋼管手工電弧焊制而成的。 試樣制作按中國《海上平臺入級與建造規范？的有關要求執行并經探傷檢驗。LTDtd12007.02195.0159表10 試件參數（mm試件材料為普通碳素鋼，其化學成分與機械性能如下表所示元素成分含量（％機械性能CPSSiMnZsZb支管0.110.0300.0510.0070.022306.6442.3主管0.150.0270.0520.0180.009328.7445表11 材料化學成分與機械性能表 冶應力單位MPa參數a=L/DB==d/Dr=D/2Tn=t/T數值5.7490.72615.640.714表12試樣幾何參數抗動載能力提高1—3倍，抗溫度變形能力也提高近 30%與經熱時效的鑄件相比，振動處理件的抗靜載的能力提高40%以上，抗動載能力提高70%振動處理對構件殘余應力的影響振動處理的關鍵在于調整殘余應力，因此殘余應力對材料機械性能的影響以及殘余應力對構件變形的影響都將因振動試樣的殘余應力測試是在焊接成型后和經過振動時效后兩種工況下進行的。振動處理是在支管端部施加激振，如圖6中P所示。測點分布如圖7。表13為T型管節點在振動處理前后的殘余主應力測試結果。圖 8為上述各測點沿焊址且垂直焊縫的應力分布圖。從表中數據和圖中曲線可見，振動處理對消除T型管節點的殘余應力起著重要作用： 它可以降低焊接殘余應力20%至80%對殘余應力的分布起著明顯的均化作用， 高殘余應力區消除比例大，而低應力區消除比例小；殘余應力消除的比例與振動處理時動應力的大小成正比。動應力大的點消除應力的比例大，而動應力小的點消除的比例小。20|Or(10JIPa) 振動處理前一0—振動處理后)/-*■/ \ 八十*q■X10-o— ， /表13芒m表131 1! '__1 *1 120° 1I 1寧 21 1 1如40°e【0。1000120**占八、、 a 部位振動處理前(MPa振動處理后(MPaZ1Z2Z1Z21號主管98.635.529.4-18215.9-42.614.9-223-10.7-74.620.2-31.94111.775.361.7-73.95113.9-15.171.4-14.96104.723.164.2-21.17203.355.446.55.189669.384.02.01/支管62.2-37.521.9-70.42/36.1-66.05.5-753/13.3-72.811.1-544/50.5-102.432.248.75/57.3-42.755.238.06/42.4-21.423.7-647/93.48.912.4-68.48/66.010.047.037.4振動處理對焊接構件疲勞壽命的影響關于振動處理對焊接構件疲勞壽命的影響問題國內外一直有著不同的看法。 由于振動處理荷載與構件承受的疲勞荷載相似，因此一種推論認為振動處理減短了構件的疲勞壽命。而另一種觀點則認為由于在振動處理過程中殘余應力的降低和均化從而延長了疲勞壽命。這兩種觀點均未經充分的試驗驗證。從前述得實驗結果出發提出用振動處理可以提高焊接構件疲勞壽命的推論， 并用對焊板試驗件的“振動處理”與“非處理”兩工況下疲勞壽命的對比試驗來加以驗證。大量的試驗結果證明了振動處理可以提高材料的力學性能，其中包括材料的斷裂韌性得到提高，裂紋擴展速率降低、疲勞極限得到提高。這些都是提高結構件疲勞壽命的關鍵因素。因此振動處理可以提高焊接構件疲勞壽命的結論，已被下述試驗給予驗證。試驗方法、試件：用尺寸為50X30X12mm勺鋼板條，每兩根在端部對焊成一體做為試件。三根做材性試驗，四根經振動處理后做疲勞試驗，五根直接進行疲勞試驗而不做任何處理。試驗方法在兩噸高頻疲勞試驗機上做純彎曲疲勞試驗。1、試驗結果九個勺試件疲勞壽命試驗結果列在表15中，其中五件（編號1、2、3、89）未經任何處理，直接在疲勞機上進行試驗。其應力幅為 25MPa—310MPa五個試件勺疲勞壽命平均值為4.5x10次。表6.14NNo表6.14NNo處理工況疲勞壽命（X10）未時效件平均壽命時效件平均壽命時效提高壽命百分比1未時效4.954.5X10-55.67X10-525.3%2未時效4.153未時效3.434時效4.785時效6.846時效6.897時效5.158未時效4.989未時效5.07試驗結果數據表另外四件（編號4、5、6、7）在進行疲勞壽命試驗之前，進行過振動時效處理：在同一疲勞機上，用25MPa