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        機床設備機身的應力消除方法-時效處理
            金屬工件(鑄件、鍛件、焊接件)在冷熱加工過程中都會產生殘余應力,殘余應力值高者(單位為Pa)在屈服極限附近構件中的殘余應力大多數表現出很大的有害作用;如降低構件的實際強度、降低疲勞極限,造成應力腐蝕和脆性斷裂,馬鞍山巨德公司認為由于殘余應力的松弛,使零件產生變形,大大的影響了構件的尺寸精度。因此降低和消除工件的殘余應力就十分必要了,特別是在航空航天、船舶、鐵路及工礦生產等應用的,由殘余應力引起的疲勞失效更不容忽視。 
        目前的針對殘余應力的不同處理方法有:自然時效方法和人工時效方法(包括熱處理時效、敲擊時效、振動時效、超聲沖擊時效、爆炸時效)
           1、自然時效——適合:熱應力(鑄造鍛造過程中產生的殘余應力) 冷應力(機械加工過程中產生的殘余應力) 焊接應力(焊接過程中產生的應力)
           自然時效是最古老的時效方法。巨德牌剪板機它是把構件露天放置于室外,依靠大自然的力量,經過幾個月至幾年的風吹、 日曬、雨淋和季節的溫度變化,給構件多次造成反復的溫度應力。再溫度應力形成的下,促使殘余應力發生松弛而使尺寸精度獲得穩定。
            自然時效降低的殘余應力不大,但對工件尺寸穩定性很好,原因是工件經過長時間的放置,石墨尖端及其他線缺陷尖端附近產生應力集中,發生了塑性變形,松弛了應力,同時也強化了這部分基體,于是該處的松弛剛度也提高了,增加了這部分材質的抗變形能力,馬鞍山巨德公司認為自然時效降低了少量殘余應力,卻提高了構件的松弛剛度,對構件的尺寸穩定性較好,方法簡單易行,但生產周期長.占用場地大,不易管理,不能及時發現構件內的缺陷,已逐漸被淘汰.                                       2、熱處理時效——適合:熱應力(鑄造鍛造過程中產生的殘余應力) 冷應力(機械加工過程中產生的殘余應力) 焊接應力(焊接過程中產生的應力)
        熱時效處理是傳統的消除殘余應力方法。它是將構件由室溫緩慢,均勻加熱至550℃左右,保溫4-8小時,再嚴格控制降溫速度至150℃以下出爐。
          熱時效工藝要求是嚴格的,如要求爐內溫差不大于±25℃,升溫速度不大于50℃/小時,降溫速度不大于20℃/小時。爐內最高溫度不許超過570℃,保溫時間也不易過長,如果溫度高于570℃,保溫時間過長,會引起石墨化,構件強度降低。巨德公司認為如果升溫速度過快,構件在升溫中薄壁處升溫速度比厚壁處快的多,構件各部分的溫差急劇增大,會造成附加溫度應力。如果附加應力與構件本身的殘余應力疊加超過強度極限,就會造成構件開裂。
           熱時效如果降溫不當,會使時效效果大為降低,甚至產生與原殘余應力相同的溫度應力(二次應力、應力疊加),并殘留在構件中,從而破壞了已取得的熱時效效果。
        3、敲擊時效(錘擊法)——適合:焊接應力(焊接過程中產生的應力)
        錘擊處理很早被引入焊接領域,初期主要應用于消除焊接變形。錘擊的方法分為,手工錘擊法和電錘錘擊法。通過觀察分析,認為適當錘擊可以消除和減少焊接裂紋,進而推斷錘擊有消除焊接殘余應力的作用, 因此在工藝中采用錘擊處理,防止焊接裂紋的產生。巨德牌折彎機一般認為,錘擊處理消除焊接殘余應力是使被處理金屬通過錘擊,在體內局部產生一定的塑性伸長,釋放焊接過程產生的殘余拉伸彈性應變,從而達到釋放焊接殘余應力的目的。但由于錘擊(特別是手工錘擊)的不規范(錘擊力的大小、頻率、基體的力學性能及錘擊區的溫度等)及焊接殘余應力準確測試的困難,故對于錘擊處理與殘余應力的關系,至今尚沒有一個科學的和系統的研究。
          在合適的焊接規范和工藝下,錘擊不僅能有效地消除工件焊縫部位的應力,而且能促進熱影響區拉伸殘余應力的釋放,甚至可以獲得一定值的壓應力。
           4、振動時效——適合:熱應力(鑄造鍛造過程中產生的殘余應力)應力(機械加工過程中產生的殘余應力) 焊接應力(焊接過程中產生的應力)
          振動時效(VSR)就是在激振設備周期性——激振力的作用下在某一頻率使金屬工件共振,形成的動應力使工件在半小時內進行數萬次較大振幅的亞共振振動。使其內部殘余應力疊加,巨德牌卷板機認為達到一定數值后,在應力最集中處,會超過屈服極限而產生微小的塑性變形,降低該處殘余應力,并強化金屬基體;而后振動在其余應力集中部分產生同樣作用,直至不能引起任何部分塑性變形為止,從而使構件內殘余應力降低和重新分布,處于平衡狀態,提高材料的強度。構件在后序安裝使用中,因不再處于共振狀態,不承受比共振力更大外力作用,振后構件不會出現應力變形。振動時效也可看作在周期動應力作用下循環應變,金屬材料內部晶體位錯運動使微觀應力增加,達到調節應力穩定構件尺寸的過程。
        振動時效,在國外稱之為VSR技術,它是Vibratory Stress Reliele的縮寫。它是在激振器的周期性外力(激振力)的作用下,使工件自身產生共振,進而使其內部歪曲的晶格,產生滑移而恢復平衡,提工件的松弛剛度,消除并均化殘余應力,使其尺寸穩定。在以消除殘余應力為目的的時效方法中,振動時效可以完全代替熱時效。原機電部等六個部委將振動時效定為第七個五年計化間推廣的節能項目,并將此類產品定位替代進口產品,這種振動消除應力技術在國外已有幾十年的應用經驗。
           5、超聲沖擊——適合:焊接應力(焊接過程中產生的應力)
           超聲沖擊是敲擊時效的發展。
          超聲沖擊技術的特點是單位時間內輸入能量高,實施裝置的比能量(輸出能量與裝置質量之比)大。振動處理頻率可高達18KHZ-27KHZ,振動速度可達2m/s-3m/s,加速度高達重力加速度的三萬多倍,高速瞬時的沖擊能量使被處理焊縫區的表面溫度以極高的速度上升到600℃,又以極快的速度冷卻。這種高頻能量輸入到焊縫區表面后,使能量作用區的表層金屬的相位組織發生一定的變化。
        1)使焊縫區的金屬表面層內的拉伸殘余應力變為壓應力,從而能大幅度地提高結構的使用疲勞壽命。
        2)表面層內的金屬晶粒變細,產生塑性變形層,從而使金屬表面層的強度和硬度有相應的提高。
        3)改善焊趾的幾何形狀,降低應力集中。
          4)改變焊接應力場,明顯減少焊接變形。
        6、爆炸時效——適合:焊接應力(焊接過程中產生的應力)
           現在正在興起的爆炸處理消除焊接殘余應力新技術是利用專用炸藥爆轟時的掠過沖擊波對焊接接頭進行處理,可以有效地降低焊接殘余應力,從而大大提高焊接接頭抗應力腐蝕開裂能力,降低疲勞裂紋擴展速率,降低脆性轉變溫度,提高焊接結構的服役安全可靠性。其原理是原始焊接殘余應力在沖擊波的誘導作用下將初始彈性應變(εe)轉化為相應的塑性應變(εp)來完成的,即εp=εe+C,C是取決于爆炸條件的常數,可通過控制爆炸處理工藝來調整。由于爆炸處理消除焊接殘余應力是高度的局部處理,因此對實際使用條件來說,C是大于零的常數,即爆炸處理后爆區可形成壓應力。爆炸處理消除焊接殘余應力與退火熱處理相比,具有能耗少、處理費用低、不會引起材料內部組織脆化、不受構件尺寸限制等優點[10]。該技術施工相當方便,以爆速為基準可得到一系列能量級的專用炸藥,適應不同情況下消除殘余應力的要求,同時炸藥可吸附或粘附在鋼件上,滿足全方位布藥的要求。該炸藥的柔韌性、連續性、穩定性、安全性以及炸藥爆轟后的高溫高壓產物對被處理構件的燒蝕防護問題均已考慮和解決。技術經過十多年的理論研究和工業應用實踐,目前已在我國的冶金機械設備、水電站壓力鋼(叉)管和水輪機蝸殼的保壓澆筑悶頭、制鋁廠儲堿槽和輸堿管線、化工容器和反應塔等160多件大中型結構上使用,獲得巨大經濟和社會效益。
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