第四章 振動時效原理

一、振動時效的特點

  振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力，當附加動應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內部的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩定。

其特點有：

1.     投資少

2.     生產周期短

3.     使用方便

4.     適應性強

5.     節約能源，降低成本

6.     機械性能顯著提高

7.     符合環保要求

8.     操作簡單，易于實現機械自動化。

9.     可避免金屬零件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。

二、振動時效的機理

1.     從宏觀的角度分析，振動時效使零件產生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無疑是導致零件尺寸精度穩定的基本原因。由振動時效的加載試驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件，也高于經熱時效處理的零件。

2.     從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環載荷的形式施加于零件上的一種附加的動應力。

3.     從錯位、晶格滑移等金屬學理論上解釋，其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態下，給工件的每一部位（晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（恢復平衡的束縛力），則微觀區域必然會產生塑性變形，使產生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態，使應力集中處的錯位得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應力的目的。

三、振動時效工藝過程

A.振動工藝裝備如圖所示：它是將一個具有偏心重塊的電機系統(激振器)用卡具安放在工件上并將工件用膠墊等彈性物體支承。通過主機控制電機并調速，使工件處于共振狀態。一般工件經30分鐘的振動處理即可達到調整均化殘余應力的目的。

主機：控制電機的啟動及調速、信號的收集、處理、顯示及打印參數
激振器：強迫工件振動并將電機轉速及激振頻率反饋回主機
拾振器：把振動響應如加速度幅值等反饋回主機
卡具：將激振器牢牢固定在工件正確位置上
膠墊：隔振、降噪，防跑件

B.工藝選擇

1、激振頻率：選擇共振區別明顯處，一般鑄件可以采用中頻大激振力，焊接件可分頻激振。

2、激振力：由構件上最大的動應力來確定，即應保證 σd+σr≥[σ]。Σd與構件的材料和結構有關，一般鑄件為∓2kgf/mm2,軟鋼件為∓7kgf/mm2。

3、激振時間：振動的前10分鐘殘余應力變化最快，20分鐘后趨于穩定，一般認為處理20-50分鐘即可。

4、激振點和支撐點：支撐點應該在工件振動節點上，激振點一般在兩點支撐點間剛性較大的位置上。

5、用振動時效過程中測出的動態參數曲線，根據曲線的變化、現場，及時判斷振動效果，是國內外推薦認可的方法。

振動時效最重要的幾個參數是：“支撐點、振型、激振點、拾振點、加速度、固有頻率、時間。”其中振動加速度、共振頻率、共振時間是決定時效工藝效果的主要參數。

振動時效的實質，是在工件的低頻亞共振點，穩定地亞共振振動15-30分鐘左右，使共振峰出現變化，內部發生微觀的彈性塑性力學變化，從而實現時效目的。

第五章  振動時效效果的判定方法

檢測振動時效的效果實際上就是檢驗工件中殘余應力是否得以消除和均化，目前對殘余應力的測試方法總的分為兩大類。一類是定量測量：如盲孔法、X射線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環法等；另一類是定性測試：如振動參數曲線法、尺寸精度穩定性法等。

一、振動參數曲線法

一項振動時效工藝是否成功，起最后的檢測方法應是殘余應力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動處理過程中采用上述兩種參數是不可能的，它需要長時間和復雜的測試過程。通常在實際生產應用的控制過程中往往采用振動時效前后幅頻特性參數曲線和振幅時間參數曲線測試法，并按JB/T5926-91標準中第4.1條款或JB/T10375-2002標準中的第6.2條款驗收來實現。

（1）       幅頻特性曲線掃描法

在振動處理過程中隨著殘余應力的下降，構件的內阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。

（2）       振幅-時間曲線監測法

幅-頻特性曲線是在振動處理的前后進行的，且頻率在不斷的改變。有時為了獲得更好的曲線還需要將激振力調到最小（偏心最小的檔級）。采用頻率不變的同時畫出振幅隨時間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動處理的有效時間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應力的變化情況。

二、盲孔法

   切割法和套環法具有較大的破壞性，因此目前應用較為廣泛的殘余應力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應變計測得釋放的應變量，再根據彈性力學原理計算出殘余應力來。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應用比較廣泛的殘余應力測試方法之一。

三、尺寸精度穩定法

尺寸精度穩定法是根據定期對構件尺寸精度的測量來實現的。它包括兩方面內容：一方面是觀測構件尺寸精度隨時間而發生的變化量，與熱時效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構件在靜、動載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統工藝（熱時效）相比，以鑒定振動時效工藝的可行性。