振动时效消除铝合金试件残余应力的研究
摘要：对振动时效消除铝合金构件残余应力进行了探索，选择矩形截面的铝合金试件作为研究对象。通过加载的方式对其预制残余应力，然后在一定的支承条件下对其激振，实验结果表明，激振之后试件的残余应力数值得到了降低和均化。本文的工作对开展有色金属构件的振动时效研究提供了试验依据。
关键词：振动时效；残余应力；铝合金
引言
残余应力是存在于金属构件内部的一种自相平衡的内应力，产生残余应力的因素很多[1，2]，但归纳起来，主要有2个因素，其一是热的作用，导致冷却不均匀而产生内应力，常见的有铸造，焊接和热处理等等；其二是力的作用，导致金属表层或内部塑性变形[3]，常见的有金属切削加工，加载等。残余应力的存在直接影响到机械零件的使用性能，降低了零件的工作强度，影响了零件的尺寸稳定，并加速零件的疲劳破坏[4，5]。因此，残余应力的存在对金属零件来说，无疑是一种潜在的危险。由于残余应力的有害性，人们通过自然时效，热时效和振动时效等各种方法进行消除残余应力的处理，这里“消除”的含意却为降低和均化残余应力，非严格意义上的消除。振动时效以其设备投资省，耗能小和见效快等优点越来越得到人们的青睐。目前，振动时效在黑色金属领域应用较为广泛[6，7]，如对铸铁件和碳钢焊接件等的振动时效处理，效果比较明显。然而把振动时效应用于降低和均化有色金属构件残余应力研究的应用实例和文献比较少见[1]。随着有色金属，尤其是铝合金在工程中的广泛应用，这一领域的研究越来越引起人们的重视。本文试图通过对典型截面铝合金试件的试验，来研究振动时效消除铝合金材料中的残余应力，从而为振动时效这项技术应用于有色金属领域提供试验依据。
1 实验方案设计
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试件加载的目的是为了预制残余应力，因此，载荷F的大小决定于两个因素：其一是F必须是以达到使材料屈服，即加载时的应变应大于3581×10-6，其二是F又不能太大，以避免材料破坏。当然，从本实验的角度出发，在不破坏材料的前提下，尽可能加大载荷，以便得到较大的残余应力。在试验中，用WE-300液压式万能试验机对试件施加载荷，受力点在试件的中点，使试件作纯弯曲变形，在加载过程中，用ES-1型标准测力计测量的大小，用YJR-5型电阻应变仪监测贴片点的应变情况。下表为试件加载试验结果，表中的应变是试件中点监测点水平方向的变化值。
1.3 测试残余应力
采用钻孔法测铝合金试件的残余应力，这是一种较成熟的方法[8，9]，其基本思想是在具有残余应力的构件上钻一小孔，使孔的邻域内由于部分应力释放而产生相应的应变，测量这些应变，经换算后可得出钻孔处原有的应力。由于钻孔法是一种破坏性测量方法，据实验的要求，预测出某一点振动前后的残余应力值，这样才能作出比较，而在同一点测2次残余应力十分困难，为此可按以下的方法来解决，如图3所示，若要测A点振动前后的残余应力值，则在A点的同一横截面的表面左右各相距10mm处选择A′点和A″点，这样可以通过振动前后分别测A′点和A″点的残余应力值来判A点的残余应力变化情况，这一方法的依据为：一是我们对加载前的试件做过残余应力测定，发现其表面的残余应力值大致相等，近似于均布场；二是加载方式是试件中心部位受载，导致试件作弯曲变形，故在A点的同一横载面的顶部上3点A，A′，A″卸载后的残余应力值大致相等；三是符合钻孔法的基本原理。
1.4 振动时效处理
振动时效即用激振器在构件或结构的共振频率附近施加一定时间的激振，以达到降低和均化残余应力的目的。对于均质粱来说，不同的支承形式，其固有频率是不同的，在本实验中采用的是2端固定的力学模型，其一阶固有频率可按下式求得：
由上式可求得试件两端固定后系统的一阶固有频率约436Hz。试验时，实验的激振频率应在436Hz附近由信号发生器扫频求得，动应力值不大于材料屈服极限的三分之一，试验仪器的连接如图4所示，在共振点附近激振的时间一般控制在15min左右。
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2 试验结果和数据处理
2.1 试验1
在800mm长的试件上选取3个点，如图5所示。振动前后所测得的A，B，C3点的残余应力的结果如图7所示。从图中可以看到振动前后残余应力的降低是明显的。
2.2 试验2
在另一个800mm长的试件上选取5个点，如图6所示。振动前后所测得A，B，C，D，E5点的沿主应力方向的残余应力结果如图8所示。
3 分析与讨论
(2) 在试验1中，振前残余应力的值域范围是-7.2~34.2MPa，而振后变为-25.6~5.3MPa，振后比振前残余应力的值域下降了25.4%。在试验2中，振前值域是-12.6~31.9MPa，振后值域是-16.0~11.0MPa，振后比振前残余应力的值域下降了39.3%。由上述分析可知，振动时效均化了试件的残余应力，且效果也比较明显。
4 结论
从上面的试验与分析中可以看到：对铝合金构件振动时效处理，能比较明显地降低和均化残余应力值，进而可以推断出把振动时效技术应用于其他有色金属构件也是可行的。当然，在工程实际应用该项技术时，还有待于进一步积累经验，合理地选择各项参数。
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