基于金属材料循环机械特性的振动时效适用范围的研究

高 葛

(陕西国防工业职业技术学院数控工程系， 陕西 西安 710302)

0 引 言

振动时效是基于谐波共振原理，采用激振装置，使构件在其固有频率附近进行10～40 min的振动，使构件的残余应力得到部分消除和均布.振动时效降低残余应力可达70%左右，与热时效去除残余应力的程度相当，而尺寸稳定性、振动时效的效果比热时效要好些[1]，另外还有具有投资少，节能，成本低的特点，所以振动时效已经大量运用于铸锻焊件的时效处理.从文献上看，振动时效用于不同的材料等，但关于振动时效的适用范围等还没有相关的研究.本文基于金属材料的循环机械特性，对振动时效的适用范围进行了探讨.

1 振动时效的受力类型

振动时效激振装置的激振力使构件产生动应力，对于机械式激振装置，激振力就是偏心质量旋转产生的离心力(F=mew2sinωt)，激振力的大小通过调节偏心距(e)获得，所以振动时效是简谐激励下的受迫振动.当电机以一定转速旋转时，偏心质量作等速圆周运动，产生离心力，它在垂直方向上的分量相当于垂直激振力.激振力是一个对称的循环应力(交变应力)，在振动时效过程中，若激振力确定，频率能够与工件发生共振，则最大激振力是固定的.所以，振动时效是一个等应力幅的激振过程.

根据疲劳理论：把循环应力大于材料屈服强度的疲劳称为低周疲劳，其应变幅为10-3～10-1，低周疲劳产生了宏观的塑性应变，疲劳寿命为102～105次.把循环应力小于弹性极限的疲劳称为高周疲劳，其应变幅为10-5～10-3，高周疲劳产生了微观的塑性应变[2]，疲劳寿命为107次.国家VSR技术标准规定[3]：振动时效的加载时间不大于40 min,振动频率为16.7～167 Hz，对应的循环周次约为4×105～4×106次.振动时效所施加的振动载荷为10～80 MPa.这一载荷对金属材料而言是一个相当低的应力，低周疲劳的交变应力往往接近或超过材料的屈服强度，那么振动时效的动应力如果大于材料的屈服强度，一定会极大地影响工件的疲劳寿命，或在振动时效过程中发生疲劳断裂.超高周疲劳是指疲劳周次在108以上，在试验上循环频率几十kHz，所以可以认为，振动时效是一个对构件施加的等应力副的高周疲劳过程.

2 金属材料的循化硬化与循环软化

低周疲劳循化应力大于屈服极限，材料除产生弹性应变外，还会产生宏观的塑性变形，使应力应变之间不呈现直线关系，由于包申格效应，形成塑性滞回线，经过一定周次循环后就得到稳定状态的滞后曲线.金属材料由循环开始状态到成为稳定状态的过程中，材料表现出两种性能变化，即循环软化和循环硬化.在恒应变条件下，循环的初期阶段只有在不断地增高应力范围时Δσ才能维持恒定的Δε，这种现象叫做循环硬化；反之，如果在循环初期阶段，只有在不断的降低Δσ时才能维持恒定的Δε，这种现象叫做循环软化[4].对材料循环硬化和循环软化的描述是在低周循环应力并保持了恒定的Δε下得到的，由于保持了恒定的Δε，所以形成了稳定的滞回曲线.循环软化钢SAE 1045钢在低于屈服强度的等应力副作用下在最初的40个循环表现出线弹性的应变特征，但是微观范围的塑性变形却在发生，且随着循环周次的增加不断积累增大.经40次的循环后，在宏观上便表现出应力应变之间的非线性关系，最后使这种循环软化钢的应力应变关系呈现出“失去控制的状态”[5].由上述试验可知，在等应力幅下，随着循环周次的增加，循环软化材料的塑性变形越来越大，无法得到稳定的滞后回线.可见，不管是循环应力大于材料的屈服强度还是小于材料的屈服强度，材料都会发生塑性变形.如果在等应力副循环应力下，循环软化的材料由于抵抗塑性变形的的抗力越来越低，塑性变形会越来越大，从而不会形成稳定的滞回曲线.

3 循环软化钢在交变应力下的组织变化

循环软化一般是精加工硬化和沉淀硬化后的材料表现出的特性.对加工硬化材料来说，其原始的位错结构有两种基本类型：易交滑移材料是胞状结构，难交滑移材料是近乎平均的平面排列的位错.在循环加载时，位错结构的类型不发生变化，但位错结构的某些细微特征会发生较大的变化.胞状结构的胞壁不断变窄，同时胞壁内的位错密度降低.平面滑移型材料其位错集中，位错密度降低.随着胞壁的变薄和位错密度的降低，位错源重新启动，位错进行增殖和运动，表现为局部塑性变形加剧，随着循环周次的增加，塑性变形越来越大，而位错密度越来越小，这样会影响材料的机械性能.交变应力越大，参与塑性变形的晶粒越多，机械性能下降的就越多.

沉淀硬化材料，位错运动受控于沉淀物和位错之间的交互作用.循环加载会破坏沉淀物的结构，甚至使沉淀物溶解，弱化了沉淀物与位错之间的交互作用，使位错进行增殖和运动，表现为宏观的塑性变形.McGrath和Bratina[6]把经淬火和室温时效的0.25%C的钢进行周期变形，发现时效后的小沉淀物已消失.

所以，循环应力改变了循环软化材料的内部结构，降低了工件的机械性能.

综上所述，循环软化材料在等应力幅下的循环应力过程会引起工件的机械性能降低.

4 高周疲劳状态下金属材料的循环硬化与循环软化特征

45钢在高周疲劳中的循环(软)硬化与低周疲劳循环中的循环软(硬)化的表现截然不同，在高周疲劳中表现为材料表面开始是软化，当循环次数达到寿命的20%后表面便开始硬化，而试样截面为持续软化，二者不同步，而且也无低周疲劳下的饱和现象[7].有文献[8]采用550 ℃退火的20钢板在弯曲试验机上进行高周疲劳循环，发现材料在高周疲劳中的硬化现象是存在的，其表面的硬度不断上升，并没有像低周疲劳的饱和现象.A356铝合金在循环过程中总体上呈循环硬化特征，循环某些阶段发现软化现象，其高周疲劳各循环阶段透射电镜的分析表明，循环形变特征与基体位错组态变化有较大的联系.基体内部位错组态的变化主要为：初始位错网—密集位错网与少量位错线—交叉滑移线—滑移带显著化—明显交叉滑移带，从而引起循环硬化—循环软化—循环硬化的变化行为[9].有文献[10]对3组试样，即退火45钢(A组)、正火45钢(B组)、热扎16Mn钢(C组)用轴向拉压对称循环，载荷频率为157 Hz，试验温度为室温.不同循环周次的表面维氏显微硬度测试表明：A组试样，硬度均值变化的3个阶段对应材料的微观塑性变形减小(硬化)、稳定(硬化饱和)及增大(软化)3个过程;而B组和C组试样表现出的硬度均值3个阶段则与材料的微观塑性变形增大(软化)、减小(硬化)及再次增大(软化)3个过程相对应.此外，显微硬度的方差分布在疲劳过程中的变化说明在高周疲劳中试件表面不同微区的塑性滑移(变形)具有显著的非同时性和不均匀性特征，在微观尺度上，高周疲劳的材料对塑性变形抗力将随循环周次发生变化，表现出一定的硬化或软化特性.

综上所述，高周疲劳状态下金属材料同样存在循环软化和循环硬化现象，材料内部的循环软化和循环硬化具有不同时性的特点.随着循环次数的增加，A356铝合金表现为循环硬化—循环软化—循环硬化；而45钢和16Mn钢表现为循环硬化(软化)—循环硬化饱和(硬化)—循环软化，而最初循环阶段的循环硬化(软化)—循环硬化饱和(硬化)是由材料的最初状态决定的，但最后都表现为循环软化，从而使材料的组织结构发生了变化，降低了工件的机械性能.

5 结 论

(1)振动时效是对构件进行等应力副的高周疲劳过程，硬化处理的工件不宜采用振动时效工艺.

(2)在高周疲劳状态下最后表现为循环硬化特性的材料，适合采用较大的激振力和多循环周次的振动时效.

(3)在高周疲劳状态下最后表现为循环软化特性的材料，振动时效时要控制循环周次，以免造成工件机械性能的下降.

参考文献

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[2] 周惠久，黄明志．金属材料强度学[M].北京：科学出版社，1989：332-440．

[3] 李功宇，张 方．焊接构件热残余应力振动时效振动应力实施技术探索[J].中国铸造装备与技术，2002，(3)：20-22.

[4] 王仁智，吴培远．疲劳失效分析[M]．北京：机械工业出版社，1987：83．

[5] 束德林．金属力学性能[M]．北京：机械工业出版社，1989．

[6] 周惠久，黄明志．金属材料强度学[M]．北京：科学出版社, 1989.

[7] 杨浩泉，王德俊．45钢在高周疲劳下的循环软化的研究[J]．包头钢铁学院学报，1995，14(1)： 48-51．

[8] 朱晓阳，奚建法．低碳钢在高周疲劳循环下的循环硬化问题研究[J]．机械强度，1991,13(2)： 35-37．

[9] 范宋杰，何国球． A356铝合金高周疲劳循环形变分析[J]． 上海金属，2007，29(6)：3-26．

[10] 叶 毅，王德俊，平 安．高周疲劳钢表面微观塑性变形行为及循环特性[J]．东北大学学报(自然科学版)，1995，16(4)：421-423．