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,如要求炉内温度差不大于±25℃,升温速度不大于50℃/小时,降温速度不大于20℃/小时。炉内温度不许**过570℃,保温时间也不易过长,如果温度**570℃,保温时间过长会引起石墨化使构件强度降低。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**过强度极限,就会造成构件开裂。热时效降温不当,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: 建窑占地面积大,费用高(每立方米1—1.2万元)。 热时效能耗高,生产成本高。 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) 残余应力消除的百分比(%)
时效前 时效后
σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 平 均
1 炉后端 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。
残余应力对金属构件的影响
残余应力的存在对金属工件的强度疲劳寿命结构变形等方面的影响都是很大的,因此在结构设计中必须予以考虑。
§2.31残余应力对疲劳寿命的影响
人们很早就已经知道:当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时,该构件的疲劳强度会有所提高,而存在拉伸残余应力时,从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下,构件表面存在着拉伸残余应力,从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下,构件表面存在着拉伸残余应力,人们首先考虑的是如何来改变这种应力分布以提高疲劳寿命,这就是调整残余应力问题,这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的,后者考虑的是如何降低或消除残余应力以保证变形的稳定性。
实际上,残余应力对疲劳的影响因条件和环境的不同而改变。他与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响是既要考虑宏观残余应力的影响,也要考虑微观残余应力的影响。
可以认为,宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加,改变盈利水平,较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力在应力交变过程中,会使微观区域内的塑性变形积累,使该部分产生应力集中,并使组织内发生裂纹。这些影响比起对静强度的影响来说,在实用上将更为重要。
一、 振动频率的确定
在共振状态下,可用小的振动能量,使工件产生的振幅,得到的动应力和动能量,从而使工件中的残余应力消除的更彻底,工件获得的尺寸稳定性效果更好。
振动时效中的共振状态,是在外部激振器激振力的持续作用下,零件处于“受迫振动”时的一个特殊状态。它的条件是激振频率接近工件的固有频率,这时振动特性中的振幅—频率曲线出现一个峰值,振幅的陡然增大对振动时效产生附加动应力有利。
工件在振动时效时是一个振动体,它与其支撑用的弹性橡胶垫和激振器组成为一个振动系统,当该系统进行自由振动时,根据振动学原理,它的共振频率仅与系统本身的质量、刚度和阻尼有关。这个频率是由系统固有性质所决定的,称为固有频率。
振动时效中一个工件和它的支撑体组成振动学中一个质量和一个弹簧的振动系统,它的固有频率可用下列通式表示:
(4-1)
式中: -----固有频率(HZ);K---弹簧的刚度(Kg/cm);
m---振动体质量(Kg)。
图4-1示出了某均质等截面梁弯曲的频率及相应的振型。
由振动频率的方程解及上图可知,具有几个自由度的振动系统,有几个固有频率,按低**
频顺序分别称为:固有频率(基本固有频率);*二个固有频率……。对于每一个固有频率都有一个确定的位移形态,称为振型,就是说,对应每一个固有频率都有对应的一个振型。
工件的固有频率可用振动时效设备本身来测定,以VSR系列振动时效设备为例,只要按一下控制器面板上的“启动”按钮,整套装置就会在其扫频范围内寻找出被时效工件的固有共振频率,并将固有频率值、固有频率下所对应的工件的振动加速度值及工件在固有频率周围的振动趋势图打印出来,使操作者一目了然。
图4-2
振动频率一般选择在共振峰*,即工件的亚共振区,一般确定在共振峰高度的 所对应的频率范围内,如图4-2所示,该工件的固有共振频率为4500r/min,共振时产生的振动加速度(峰值)为60.0m/s2,则对工件的振动时效频率就确定为工件的振动加速度值在20.0~40.0m/s2区域内所对应的频率。具体的确定方式有两种:
1.手动调节。首先将激振器频率调节到工件固有频率以下100r/min处,即4400r/min,观察控制器上加速度的值,然后再用手动慢慢升速,使加速度值升高在20~40m/s2范围内,具体掌握在多大的频率下,还要看工件的振动情况,若工件在共振状态时振动很激烈,则可选择在 范围内,若工件振动不是很激烈,则选择在 范围内。
2.自动调节。VSR系列全自动控制器会自动地控制整套设备对工件进行频率、振动情况的测定,并给出数据及曲线图,并根据*系统自动地确定对工件的振动频率,这一切*人工干预,而只需按一下自动按钮就可完成。
振动时效技术具有高效节能、节省费用、方便简单、省时省力、减少污染等**优点,因此受到国内外的广泛重视。生产办公室也将该项技术的推广应用列入了“八五规划”,“九五规划”列为重点新技术推广项目,二000年国家经贸委列出二十五项重点推广的典型案例之一。振动时效是对机械制造业传统的自然时效和热时效方法的革命。
“振动时效技术”,国外称“Vibratory Stress Relidf Method”简称“VSR”)。它包括振动消除应力技术,振动焊接技术,振动铸造技术及用振动提高焊接构件及轴类构件疲劳寿命技术等项内容。在调整构件残余应力的技术领域中,振动时效技术完全可以代替原有的热时效工艺,因其应用面广,技术潜力大,而具有重大的经济和社会效益。
近二十年来,振动消除应力技术的研究和应用,在我国取得了飞速的发展。在此期间,经国内许多单位的共同努力,在振动时效机理、振动时效工艺技术和应用研究方面,取得了突破性的成果,制定了我国关于振动时效方面的国家行业标准“*共和国机械行业标准JB/T5926-2005”,指导了该项技术的应用和设备的生产,推动了该项技术的广泛应用,为我国经济建设做出了较大的贡献。
振动时效在西方发达国家,由于基础工业比较成熟,运用比较成熟。国内是近二十年由于电机技术和控制技术的发展,振动时效设备才能够满足机械构件消除应力要求,但由于振动时效涉及材料力学、振动学、金属物理学等多学科,相对而言工艺上比热时效复杂的多,而国内专业的参考书较少,应广大从事时效技术工作人员的要求,编者结合国内外焊接、铸造、锻造、机械加工领域里*学者的核心理论,注重于通俗易懂,简单实用原则,编写了本书,该书适用于从事残余应力消除工作的工程技术人员,对振动时效技术的了解和运用。也可作为大专院校相关专业的师生的教学参考教材