第四章 振动时效原理

一、振动时效的特点

  振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。

其特点有：

1.     投资少

2.     生产周期短

3.     使用方便

4.     适应性强

5.     节约能源，降低成本

6.     机械性能显著提高

7.     符合环保要求

8.     操作简单，易于实现机械自动化。

9.     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。

二、振动时效的机理

1.     从宏观的角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。由振动时效的加载试验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。

2.     从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加的动应力。

3.     从错位、晶格滑移等金属学理论上解释，其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下，给工件的每一部位（晶格）施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的井势（恢复平衡的束缚力），则微观区域必然会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处的错位得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的。

三、振动时效工艺过程

A.振动工艺装备如图所示：它是将一个具有偏心重块的电机系统(激振器)用卡具安放在工件上并将工件用胶垫等弹性物体支承。通过主机控制电机并调速，使工件处于共振状态。一般工件经30分钟的振动处理即可达到调整均化残余应力的目的。

主机：控制电机的启动及调速、信号的收集、处理、显示及打印参数
激振器：强迫工件振动并将电机转速及激振频率反馈回主机
拾振器：把振动响应如加速度幅值等反馈回主机
卡具：将激振器牢牢固定在工件正确位置上
胶垫：隔振、降噪，防跑件

B.工艺选择

1、激振频率：选择共振区别明显处，一般铸件可以采用中频大激振力，焊接件可分频激振。

2、激振力：由构件上最大的动应力来确定，即应保证 σd+σr≥[σ]。Σd与构件的材料和结构有关，一般铸件为∓2kgf/mm2,软钢件为∓7kgf/mm2。

3、激振时间：振动的前10分钟残余应力变化最快，20分钟后趋于稳定，一般认为处理20-50分钟即可。

4、激振点和支撑点：支撑点应该在工件振动节点上，激振点一般在两点支撑点间刚性较大的位置上。

5、用振动时效过程中测出的动态参数曲线，根据曲线的变化、现场，及时判断振动效果，是国内外推荐认可的方法。

振动时效最重要的几个参数是：“支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定时效工艺效果的主要参数。

振动时效的实质，是在工件的低频亚共振点，稳定地亚共振振动15-30分钟左右，使共振峰出现变化，内部发生微观的弹性塑性力学变化，从而实现时效目的。

第五章  振动时效效果的判定方法

检测振动时效的效果实际上就是检验工件中残余应力是否得以消除和均化，目前对残余应力的测试方法总的分为两大类。一类是定量测量：如盲孔法、X射线法、磁测法、喷砂打孔法、切割法、套环法等；另一类是定性测试：如振动参数曲线法、尺寸精度稳定性法等。

一、振动参数曲线法

一项振动时效工艺是否成功，起最后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但在振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。

（1）       幅频特性曲线扫描法

在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，共振峰的增高、频带变窄。

（2）       振幅-时间曲线监测法

幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小（偏心最小的档级）。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。这种方法既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情况。

二、盲孔法

   切割法和套环法具有较大的破坏性，因此目前应用较为广泛的残余应力测试方法是钻盲孔法。就是在被测点上钻一小孔，使被测点的应力得到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力学原理计算出残余应力来。这种方法具有较好的精度，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法之一。

三、尺寸精度稳定法

尺寸精度稳定法是根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内容：一方面是观测构件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相比较；另一方面是要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度变化量，同样与传统工艺（热时效）相比，以鉴定振动时效工艺的可行性。