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殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響
殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)，作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互作用，使某些局部呈現(xiàn)塑性變形，截面內(nèi)應(yīng)力重新分析，當(dāng)外力作用去除時(shí)整個(gè)構(gòu)件將要發(fā)生變形。所以殘余應(yīng)力明顯的影響著加工后的構(gòu)件的精度。這也是機(jī)械和工程部門關(guān)心的問題之一。
實(shí)踐已證明，具有表面拉伸殘余應(yīng)力的構(gòu)件其尺寸穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如具有表面壓縮殘余應(yīng)力的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性好。
殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響包括兩個(gè)方面，一方面是構(gòu)件抗靜、動(dòng)荷載的變形能力，另一方面是荷載卸除后變形的恢復(fù)能力。殘余應(yīng)力在這兩個(gè)方面對(duì)構(gòu)建的影響是很大的，因此人們一直在研究消除這些影響的有效方法。
§2.33殘余應(yīng)力對(duì)金屬脆性破壞的影響
脆性破壞是構(gòu)建在幾乎不存在塑性變形情況下的突然開裂。它在溫度突然下降或變形速度突然上升的情況下易發(fā)生。這是塑性變形處于壓抑狀態(tài)，如在突然受到較大的作用應(yīng)力等原因，就易于發(fā)生存型斷裂破壞。殘余應(yīng)力是作為初始應(yīng)力存在于構(gòu)件內(nèi)，特別是拉伸殘余應(yīng)力與作用拉應(yīng)力疊加而加速了脆性破壞。
有關(guān)文獻(xiàn)中做了殘余應(yīng)力對(duì)脆性破壞的影響實(shí)驗(yàn)，吧76×91cm、厚2cm的軟鋼板對(duì)焊起來。在焊縫處沿結(jié)合方向的殘余應(yīng)力是接近焊接金屬屈服極限的拉應(yīng)力。
將焊好的試件的一部分作退貨處理以消除焊接應(yīng)力，再與未經(jīng)退火處理的試件一起放在-13℃下冷卻，發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火處理的時(shí)間未出現(xiàn)裂紋，而沒退火的試件即使在無外力作用下也出現(xiàn)了脆性裂紋。分析其原因是在溫度的快速下降時(shí)，材料塑性下降所引起的脆性破壞。
有關(guān)文獻(xiàn)中也給出類似的實(shí)驗(yàn)，并得出結(jié)論：殘余應(yīng)力與開裂有直接關(guān)系，且產(chǎn)生的裂紋全都是存在于拉伸殘余應(yīng)力范圍內(nèi)。可見殘余應(yīng)力不僅直接影響到裂紋的擴(kuò)展，而且降低了材料脆性破壞的作用應(yīng)力的臨界應(yīng)力極限，加速了脆性破壞。
殘余應(yīng)力產(chǎn)生的脆性破壞在焊接件中是極易發(fā)生的。某重型汽車廠生產(chǎn)的車價(jià)由于焊接裂紋而大批報(bào)廢。某造船廠鑄造的十幾噸重的大型鏈輪箱，因開箱溫度過高而室溫較低，殼體交角處從上至下出現(xiàn)斷裂裂紋，裂紋速度發(fā)展很快。這些都說明在無外力作用下而產(chǎn)生的脆性破壞完全是由殘余應(yīng)力拉應(yīng)力造成的結(jié)果。近些年來，國內(nèi)外都在大量研究殘余應(yīng)力對(duì)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展的影響。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件施加定量的殘余應(yīng)力是比較困難的，因此該項(xiàng)研究受到較大的限制而進(jìn)展不快。

振動(dòng)時(shí)效的原理
國內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明，振動(dòng)時(shí)效對(duì)消除和均化殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。同時(shí)對(duì)振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理也做了大量的研究和探討。
從宏觀角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無意識(shí)導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應(yīng)力松弛和零件變形中可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)力松弛和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時(shí)效方法以消除和降低殘余應(yīng)力，特別是危險(xiǎn)的峰值應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效同樣可以降低殘余應(yīng)力。零件在振動(dòng)處理后殘余應(yīng)力通常可降低30~55﹪，同時(shí)也使峰值應(yīng)力降低，使應(yīng)力分布均勻化。
除殘余應(yīng)力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一種重要因素是松弛剛性，或零件的抗變形能力。
有時(shí)雖然零件具有較大的殘余應(yīng)力，但因其抗變形能力強(qiáng)，而不致造成大的變形。在這一方面，振動(dòng)時(shí)效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動(dòng)時(shí)效的加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，振動(dòng)時(shí)效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時(shí)效的零件，也高于經(jīng)熱時(shí)效處理的零件。通過振動(dòng)而使材料得到強(qiáng)化，使零件的尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。
從微觀方面分析，振動(dòng)時(shí)效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加動(dòng)應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)受到振動(dòng)時(shí)，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，在應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位就會(huì)超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，并強(qiáng)化了金屬機(jī)體。而后，振動(dòng)又在一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動(dòng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時(shí)，振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗(yàn)加以證明。
此外，我更主張從錯(cuò)位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上去解釋振動(dòng)時(shí)效機(jī)理。其主要觀點(diǎn)是振動(dòng)時(shí)效處理過程實(shí)際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（從微觀角度說是工件里的每一個(gè)微觀晶格）施加一定的動(dòng)能量，如果施加的這個(gè)能量值與微觀組織本身原有的能量值（殘余應(yīng)力本身是一種勢(shì)能）之和，足以克服微觀組織周圍的井勢(shì)（也可以說是對(duì)恢復(fù)平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會(huì)產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應(yīng)力的歪曲晶格得以慢慢地回復(fù)平衡狀態(tài)，使應(yīng)力集中處地位錯(cuò)得以滑移并重新釘扎，達(dá)到消除和均化殘余應(yīng)力的目的。對(duì)于殘余應(yīng)力集中的地方，殘余應(yīng)力值較大，其微觀組織本身所具有的回復(fù)平衡狀態(tài)的勢(shì)能值也較大，所以，此處的殘余應(yīng)力在震動(dòng)處理過程中消除的就越多。只有從這一觀點(diǎn)上才能解釋通許多用種觀點(diǎn)所解釋不通的一些現(xiàn)象，比如：在振動(dòng)處理過程中我們只需施加一個(gè)方向的主動(dòng)應(yīng)力，就能消除包括垂直主動(dòng)應(yīng)力方向上的所有殘余應(yīng)力等

振動(dòng)時(shí)效工藝
振動(dòng)時(shí)效處理過程是將激振器剛性夾持在被處理工件的適當(dāng)位置，首先根據(jù)零件大小，形狀和加持情況來調(diào)節(jié)激振頻率，使零件在其固有頻率下進(jìn)行共振，然后根據(jù)零件所需動(dòng)應(yīng)力或振幅的大小來調(diào)節(jié)激振力。零件的振動(dòng)狀態(tài)和動(dòng)應(yīng)力，可用測(cè)量振動(dòng)和應(yīng)力的儀表來檢測(cè)。通常將感受元件（加速度計(jì)或速度計(jì)）接于被振物體上，振動(dòng)時(shí)，感受元件把接收到得振動(dòng)信號(hào)送往測(cè)試儀表，經(jīng)放大電路將信號(hào)放大并指示出各種所需的參數(shù)值。振動(dòng)狀態(tài)的主要指示參數(shù)是振幅、頻率和振型。振動(dòng)狀態(tài)和激振力的控制是通過控制激振器的控制裝置來實(shí)現(xiàn)的。它能調(diào)節(jié)激振力、激振頻率和振動(dòng)時(shí)間。被處理零件在所需頻率和振動(dòng)強(qiáng)度下振動(dòng)一段時(shí)間后，振動(dòng)時(shí)效即告結(jié)束。
這個(gè)工藝過程一般為幾分鐘或幾十分鐘。

振動(dòng)時(shí)效工藝的發(fā)展及應(yīng)用
用振動(dòng)的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，于1900年在美國就取得了。但由于人們長期使用熱時(shí)效，加上當(dāng)時(shí)對(duì)振動(dòng)消除應(yīng)力的機(jī)理還不十分明確，且高速電機(jī)尚未出現(xiàn)造成設(shè)備沉重、調(diào)節(jié)不便，因此該項(xiàng)技術(shù)一直未得到發(fā)展和應(yīng)用。
直到60年代由于能源危機(jī)，美國、英國、日本、聯(lián)邦德國等國才又開始研究振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理和應(yīng)用工藝。特別是到70年代由于可調(diào)高速電機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了振動(dòng)消除應(yīng)力裝置（VSR系統(tǒng)）的發(fā)展：1973年英國制成手提式VSR系統(tǒng)即VCM80，后來美國馬丁工程公司也研制出比較先進(jìn)的設(shè)備LT-100R型VSR系統(tǒng)。法國和蘇聯(lián)也分別生產(chǎn)出PSV型和NB型VSR系統(tǒng)。這些比較先進(jìn)的激振裝置，促進(jìn)了振動(dòng)消除應(yīng)力工藝的發(fā)展和應(yīng)用。
國內(nèi)開展這項(xiàng)工作比較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩的工程技術(shù)專家74年出國考察訪問時(shí)，把這項(xiàng)技術(shù)帶回國內(nèi)，并開始在機(jī)械部、航空部研究一直，并于“六五”期間在機(jī)械部提出的攻關(guān)課題之一----------提高機(jī)床鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的大課題里面確定了“振動(dòng)時(shí)效可行性研究”這一子課題，并指定由北京擊穿研究所和四大機(jī)床廠來完成這一課題，我們?cè)谄呔拍曜孕醒兄瞥晒涣鞔な秸駝?dòng)時(shí)效簡易設(shè)備的基礎(chǔ)上不斷地試驗(yàn)研究，經(jīng)過幾年的努力與其他兄弟院所工廠一期取得了一定的成果，證明振動(dòng)時(shí)效工藝的可行性，機(jī)床所大連理工大學(xué)、撫順石油機(jī)械學(xué)院等對(duì)機(jī)理也進(jìn)行了較深入的研究。由于受當(dāng)時(shí)簡易設(shè)備的限制，一些工藝參數(shù)很難測(cè)得也限制了這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，于是八五年機(jī)械部特批貳萬伍千美金，我們與美國馬丁公司合作引進(jìn)了一整套當(dāng)時(shí)世界上的VSR-790型振動(dòng)時(shí)效設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。為進(jìn)一步推動(dòng)振動(dòng)時(shí)效工藝研究和設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。后來隨著使用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的廠家不斷增多和不少院校對(duì)這項(xiàng)技術(shù)深入的研究。特別是九一年JB/T5926-91《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的誕生，使得這項(xiàng)技術(shù)得以較快的推廣和發(fā)展，到目前為止，我國已有幾千臺(tái)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備投入使用，涉及領(lǐng)域包括機(jī)床、冶金、航空、航天、軍工、輕工、電力、紡織、風(fēng)機(jī)、建筑、造紙等機(jī)械制造行業(yè)