引言

殘余應(yīng)力是存在于金屬構(gòu)件內(nèi)部的一種自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的因素很多[1，2]，但歸納起來(lái)，主要有2個(gè)因素，其一是熱的作用，導(dǎo)致冷卻不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，常見(jiàn)的有鑄造，焊接和熱處理等等；其二是力的作用，導(dǎo)致金屬表層或內(nèi)部塑性變形[3]，常見(jiàn)的有金屬切削加工，加載等。殘余應(yīng)力的存在直接影響到機(jī)械零件的使用性能，降低了零件的工作強(qiáng)度，影響了零件的尺寸穩(wěn)定，并加速零件的疲勞破壞[4，5]。因此，殘余應(yīng)力的存在對(duì)金屬零件來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一種潛在的危險(xiǎn)。由于殘余應(yīng)力的有害性，人們通過(guò)自然時(shí)效，熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效等各種方法進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的處理，這里“消除”的含意卻為降低和均化殘余應(yīng)力，非嚴(yán)格意義上的消除。振動(dòng)時(shí)效以其設(shè)備投資省，耗能小和見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越得到人們的青睞。目前，振動(dòng)時(shí)效在黑色金屬領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[6，7]，如對(duì)鑄鐵件和碳鋼焊接件等的振動(dòng)時(shí)效處理，效果比較明顯。然而把振動(dòng)時(shí)效應(yīng)用于降低和均化有色金屬構(gòu)件殘余應(yīng)力研究的應(yīng)用實(shí)例和文獻(xiàn)比較少見(jiàn)[1]。隨著有色金屬，尤其是鋁合金在工程中的廣泛應(yīng)用，這一領(lǐng)域的研究越來(lái)越引起人們的重視。本文試圖通過(guò)對(duì)典型截面鋁合金試件的試驗(yàn)，來(lái)研究振動(dòng)時(shí)效消除鋁合金材料中的殘余應(yīng)力，從而為振動(dòng)時(shí)效這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于有色金屬領(lǐng)域提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試件加載的目的是為了預(yù)制殘余應(yīng)力，因此，載荷F的大小決定于兩個(gè)因素：其一是F必須是以達(dá)到使材料屈服，即加載時(shí)的應(yīng)變應(yīng)大于3581×10-6，其二是F又不能太大，以避免材料破壞。當(dāng)然，從本實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，在不破壞材料的前提下，盡可能加大載荷，以便得到較大的殘余應(yīng)力。在試驗(yàn)中，用WE-300液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加載荷，受力點(diǎn)在試件的中點(diǎn)，使試件作純彎曲變形，在加載過(guò)程中，用ES-1型標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力計(jì)測(cè)量的大小，用YJR-5型電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)貼片點(diǎn)的應(yīng)變情況。下表為試件加載試驗(yàn)結(jié)果，表中的應(yīng)變是試件中點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向的變化值。

1.3 測(cè)試殘余應(yīng)力

采用鉆孔法測(cè)鋁合金試件的殘余應(yīng)力，這是一種較成熟的方法[8，9]，其基本思想是在具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件上鉆一小孔，使孔的鄰域內(nèi)由于部分應(yīng)力釋放而產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，測(cè)量這些應(yīng)變，經(jīng)換算后可得出鉆孔處原有的應(yīng)力。由于鉆孔法是一種破壞性測(cè)量方法，據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，預(yù)測(cè)出某一點(diǎn)振動(dòng)前后的殘余應(yīng)力值，這樣才能作出比較，而在同一點(diǎn)測(cè)2次殘余應(yīng)力十分困難，為此可按以下的方法來(lái)解決，如圖3所示，若要測(cè)A點(diǎn)振動(dòng)前后的殘余應(yīng)力值，則在A(yíng)點(diǎn)的同一橫截面的表面左右各相距10mm處選擇A′點(diǎn)和A″點(diǎn)，這樣可以通過(guò)振動(dòng)前后分別測(cè)A′點(diǎn)和A″點(diǎn)的殘余應(yīng)力值來(lái)判A點(diǎn)的殘余應(yīng)力變化情況，這一方法的依據(jù)為：一是我們對(duì)加載前的試件做過(guò)殘余應(yīng)力測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其表面的殘余應(yīng)力值大致相等，近似于均布場(chǎng)；二是加載方式是試件中心部位受載，導(dǎo)致試件作彎曲變形，故在A(yíng)點(diǎn)的同一橫載面的頂部上3點(diǎn)A，A′，A″卸載后的殘余應(yīng)力值大致相等；三是符合鉆孔法的基本原理。

1.4 振動(dòng)時(shí)效處理

振動(dòng)時(shí)效即用激振器在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的共振頻率附近施加一定時(shí)間的激振，以達(dá)到降低和均化殘余應(yīng)力的目的。對(duì)于均質(zhì)粱來(lái)說(shuō)，不同的支承形式，其固有頻率是不同的，在本實(shí)驗(yàn)中采用的是2端固定的力學(xué)模型，其一階固有頻率可按下式求得：

由上式可求得試件兩端固定后系統(tǒng)的一階固有頻率約436Hz。試驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的激振頻率應(yīng)在436Hz附近由信號(hào)發(fā)生器掃頻求得，動(dòng)應(yīng)力值不大于材料屈服極限的三分之一，試驗(yàn)儀器的連接如圖4所示，在共振點(diǎn)附近激振的時(shí)間一般控制在15min左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)1

在800mm長(zhǎng)的試件上選取3個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。振動(dòng)前后所測(cè)得的A，B，C3點(diǎn)的殘余應(yīng)力的結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看到振動(dòng)前后殘余應(yīng)力的降低是明顯的。

2.2 試驗(yàn)2

在另一個(gè)800mm長(zhǎng)的試件上選取5個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。振動(dòng)前后所測(cè)得A，B，C，D，E5點(diǎn)的沿主應(yīng)力方向的殘余應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。

3 分析與討論

（2） 在試驗(yàn)1中，振前殘余應(yīng)力的值域范圍是-7.2~34.2MPa，而振后變?yōu)?25.6~5.3MPa，振后比振前殘余應(yīng)力的值域下降了25.4%。在試驗(yàn)2中，振前值域是-12.6~31.9MPa，振后值域是-16.0~11.0MPa，振后比振前殘余應(yīng)力的值域下降了39.3%。由上述分析可知，振動(dòng)時(shí)效均化了試件的殘余應(yīng)力，且效果也比較明顯。

4 結(jié)論

從上面的試驗(yàn)與分析中可以看到：對(duì)鋁合金構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效處理，能比較明顯地降低和均化殘余應(yīng)力值，進(jìn)而可以推斷出把振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用于其他有色金屬構(gòu)件也是可行的。當(dāng)然，在工程實(shí)際應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，還有待于進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，合理地選擇各項(xiàng)參數(shù)。