针对传统的消除金属工件内部残余应力的热时效处理法的不足，从激振角度，运用材料力学、机械动力学中的振动理论等知识，并通过大量试验验证，研究了振动消除应力的方法一振动时效法的原理及其有关问题．说明这种新的方法具有节能、高效等一系列优点并采用济南博纳机电设备有限公司ZS2004液晶振动时效设备进行操作，胡现场配合，技术咨询：胡美玲：5031 86310283 。。

关键词: 金属工件；残余应力；热时效法；振动时效法；共振；固有频率；亚共振

l 振动消除应力的原理

1.1 宏观分析

由低碳钢在静载拉伸时的机械性能可知，材料在静载应力作用下，当此应力达到材料的屈服极限δs时，材料发生塑性变形；静载应力超过屈服极限后继续加大，材料得到强化。设δb表示材料强度极限，则静载应力小于δb时，材料不会破坏。由此可知，振动消除应力时所施加的动应力范围是：

δb > δ_残 +δ_动 >δs

由金属材料在循环应力一应变条件下的行为特征可知，在一定的等幅循环应力δ_动的

作用下，当δ_动>δs 时，每循环一次，都会使材料中某些有较大残余应力的点出现一次残余变形，使屈服极限比前一次提高，残余变形逐渐减小，zui后减为零（如图1所示），此时材料的结构处于稳定状态，有效地提高了工件的尺寸稳定性。因此，振动消除应力实质上是使工件内部产生局部塑性变形，降低和均化残余应力，提高材料的抗变形能力，这是导致工件尺寸精度稳定的基本原因。

图一

除了残余应力值外，决定工件尺寸稳定性的另一个重要因素是松弛刚度。有时虽然工件有较大的残余应力，但因其抗变形能力强，即松弛刚度大，也不会产生大的变形。在这方面振动时效具有独到的优点。传统的热时效法在降低残余应力的同时，往往使松弛刚度有所降低。经过振动处理的工件，不仅能够减小残余应力峰值，而且提高了材料的松弛刚度，因此经振动时效处理的工件抗变形能力不仅高于未处理件，而且也高于热时效处理的工件。

1.2 微观分析

由位错理论可知，金属内部存在大量的位错（又称为线缺陷）。根据能量原理，较小间隙的

原子优先处在位错旁的空洞里，起着钉住位错的作用，阻碍位错滑移。若要位错脱出钉锚，产生滑移，需有足够的剪切应力。位错滑移首先发生在应力集中区。工件内部的应力集中区主要位于工件的微观缺陷区，如位错、空位、晶界和夹杂等。振动处理工件时，由激振力所产生的交变动应力与工件内部的残余应力叠加，其分切应力大于或等于滑移面上的临界切应力时，会引起缺陷区大量位错滑移。此后，一部分钉杂在杂质上，另一部分塞积在晶粒界旁。其中一部分位错滑移可以穿过晶界传到邻近的位向相近的晶粒内。整个过程同时伴有空位和杂质的流变，并导致两种效果：l、由于应力集中区的位错滑移，使此处应力变小，从整体上看，应力水平下降；2、在滑移中，由应力造成的不稳定的，然而又是暂时平衡的工件内部弹性变形变为塑性变形，结果使工件尺寸稳定。也就是说振动时效是通过位错滑移，工件内产生局部塑性变形，使整个应力水平下降，工件尺寸精度稳定。

综上所述，可以得出下述几个结论：

（1） 工件受到和残余应力方向相同的动应力作用时，在工件内将产生较大的局部应变，应力集中越大的区域，产生的应变也越大，结果耗掉了应力峰值，使应力均化并降低。

（2） 动应力加大了晶格内原子动能，使原子振动加剧，从而加剧了原子之间的相互作用，使晶格畸变与扭曲得以纠正，松弛了部分应力。

（3） 在动应力作用下，由位错源放出的位错，由于晶界的阻碍，在滑移中塞积在晶界处，使不影响宏观尺寸变化的微观应力提高，因而提高了工件的松弛刚度。

（4） 金属工件是非理想的弹性体，在循环载荷作用下，会产生类似包*效应的廻线，其累积结果，廻线面积减小，工件获得一定的变形量，松弛了部分残余应力。

（5） 振动产生的动应力不宜过大，也不宜过小，其界限为：δb >δ_动>δ_残>δs

由于工件内各处残余应力不等，其峰值大小无法估计，所以在生产实践中，取δ_动=（1/2 ～1/3）δ_工作，δ_工作为工件的实际工作应力。

（6）当δ_残 +δ_动 <δs时，振动时效即告结束。

2 共振振动是消除应力的关键

由振动时效机理可知，工件内部残余应力调整的必要参数是动应力而不是频率。也就是说，凡是能施加给工件的一定附加应力载荷，无论是静载、动载、冲击、随机振动、周期振动都可以使工件的残余应力得到不同程度的消除。一个多世纪以前，从生产实践中人们发现焊件、易变形工件，用铁锤敲击所产生的振动能消除和降低工件的变形，这种方法称之为“锤击松弛法”。后来人们又发现，把尺寸易变化的工件毛胚（铸件、焊件等）从几米高的地方落下、或放在铁路旁经受道基振动等都可以使工件毛胚内残余应力下降，尺寸稳定，而且大大缩短了自然时效的时间。由此可以认为残余应力的消除对振动频率的选择没有严格的要求。

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