CN1752223A - 金属材料加热与振动联合去应力方法 - Google Patents

Abstract

一种用于材料加工与处理技术领域的金属材料加热与振动联合去应力方法，本发明具体步骤如下：(1)加热温度及加热方式：选择加热温度小于500℃，大型构件对存在残余应力的区域进行局部加热；(2)振动频率及振幅：选择材料的共振频率及振幅，对材料施加循环载荷，能够使材料存在残余应力区域的循环载荷超过其屈服强度；(3)加热与振动时间：选择加热与振动联合处理的时间，与常规振动处理时间相同。本发明所提供的加热与振动联合去应力方法，是在加热状态下进行振动处理即将加热退火方法与振动去应力方法联合，可以最大程度地降低材料中残余应力，并且避免材料振动处理过程中出现自开裂现象。

Description

金属材料加热与振动联合去应力方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属热处理技术领域的方法，具体地说，是一种金属材料加热与振动联合去应力方法。

背景技术

材料中难免存在残余应力问题，可能导致尺寸不稳定及开裂破坏等，一直被视为是一种缺陷。因此，消除残余应力是机械加工业一项十分重要的任务。传统的消除应力方法是对材料进行加热退火处理，即把材料加热到相变温度以下的高温状态，从而导致材料中残余应力的释放。在材料加热退火过程中，通常要发生应力热松弛过程，残余应力的降低遵循热力学规律，降低的程度主要与加热温度和时间等因素有关。传统加热退火方法的去应力效果比较明显并且应用广泛，缺点是由于加热温度较高以及加热时间过长，会导致材料表面氧化现象，改变材料的微观组织结构及性能，甚至可能因材料受热不均而导致开裂或在冷却过程中产生新的残余应力。另一种常见的去应力方法就是振动去应力法，即通过机械振动的方法来去除材料中的残余应力。

经对现有技术文献的检索发现，饶德林等人在《焊接》(2004年，第11期，第5-7页)上发表“振动时效技术的研究现状”的论文中，介绍了材料振动去应力方法的现状及存在问题。常规振动去应力方法的要点包括：1、利用橡胶等软质材料作为材料振动的支点；2、在室温状态下利用激振器使材料发生振动；3、振动的时间一般为10-30分钟；4、去应力的效果为20％-50％初始应力。振动去应力方法，实际是对材料施加一定的循环载荷，通过局部塑性变形使材料中残余应力得以松弛。常规振动去应力方法的主要优点是无环境污染、能耗小、工艺简单并且适于现场操作等，可以适当降低或均化材料中的残余应力；缺点是由于材料在室温状态下振动，残余应力的降低幅度十分有限，实际上往往达不到充分降低材料中残余应力的效果，而且消除过程中的循环应力有时可能导致材料自开裂或者材料劣化等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足和缺陷，提供一种金属材料加热与振动联合去应力方法，使其将加热退火方法与振动去应力方法联合，在材料加热状态下进行振动即加热与振动联合处理，可以最大程度地降低材料中的残余应力，并且可以避免振动过程中材料自开裂。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤、工作原理如下：

(1)材料加热温度及加热方式：钢铁材料的加热与振动联合处理的加热温度小于再结晶温度，即小于等于500℃，大型构件可对存在残余应力的区域进行局部加热，如采用煤气烘烤对存在残余应力的区域进行局部加热。

其工作原理是，钢铁材料的加热退火温度可分为再结晶退火、完全退火、球化退火及去应力退火，其中去应力退火温度较低。只有在较低加热温度下，材料组织结构及性能才不会发生明显变化。如果采用较高的加热退火温度，虽然去应力比较彻底，但可能造成材料微观组织结构及性能发生变化，这是单纯采用加热退火去应力工艺的缺点。利用热作用消除残余应力，从宏观上可解释为应力的热松弛现象，在高温状态下材料局部区域因热塑性变形而导致应力松弛，达到消除残余应力的作用。从微观的角度讲，高温状态下材料中原子必然发生扩散及位移的过程，使得微观应力下降，同时还促进材料宏观的塑性变形，使其宏观应力下降。对于一些大型结构件，由于整体退火十分困难，可对存在残余应力的区域进行局部加热退火，使应力幅度下降，以减小在这些区域出现开裂危险性。另一方面，材料在高温状态下，其塑性会得到明显改善，可以有效避免材料在振动处理过程中发生自开裂。

(2)材料振动频率及振幅：选择材料的共振频率及共振振幅，对材料施加交替的循环载荷，能够使材料存在残余应力区域的局部循环载荷超过其屈服强度。具体是：利用激振器并选择材料的共振频率及共振振幅，所施加的循环载荷能够使材料存在残余应力的区域发生塑性变形。

其工作原理是，采用室温振动去应力方法，虽然不会影响材料的组织结构及性能，但残余应力降低幅度却有限，而且循环应力可能导致材料自开裂。如果采用加热与振动联合去应力方法，可以充分发挥二者的优势，不但能够有效地降低材料中残余应力，而且又能有效避免在材料振动过程中出现自开裂现象。在加热状态下进行振动处理，材料在激振器的作用下发生强迫振动，通过检振器测量振幅的大小，通过改变激振频率，直到材料发生共振现象。这种振动从宏观上讲是对材料施加一种循环机械载荷作用，从微观上讲是提高材料原子的动能，因而它又与热作用类似。由于材料发生了强迫共振，局部区域的循环载荷超过材料的屈服强度，使残余应力得以释放。此外，由于大量塑性变形而使材料被强化，即在残余应力明显下降的同时，还可提高材料的抗变形能力。如果采用局部加热与振动的联合处理方法，可以在任何场地上进行现场去应力处理操作，不受实际构件大小和材料种类的限制，大到几十吨的构件都可采用这种去应力方法，消除残余应力的效果仍然比较明显。

(3)材料加热与振动时间：选择加热与振动联合处理的时间，与纯机械振动处理时间相同，即小于等于30分钟。

其工作原理是，在加热与振动联合去应力方法中，是将材料高残余应力区域预热并进行振动处理，借助热效应与机械效应的共同作用来消除残余应力。其中加热去应力是一种热力学过程，去应力程度与时间呈幂指数关系，随着时间的延长，消除应力的程度逐渐不明显，但总是保持单调下降的趋势。常规室温振动去应力的时间为10-30分钟，即使是延长振动时间，其消除应力的效果不会再有明显的改善，最终材料平均残余应力消除程度不会超过初始应力的50％。加热与振动联合去应力方法，由于综合了热效应与机械效应的优点，在常规振动处理时间即10-30分钟之内，可以明显地消除残余应力。如果延长处理的时间，则消除应力的效果更为显著，但处理时间过长则可能改变材料的微观组织结构，从而导致材料的劣化。

本发明的有益效果是：所提供的金属材料加热与振动联合去应力方法，是在材料加热状态下进行振动处理即将加热退火方法与振动去应力方法联合，可以最大程度地降低材料中的残余应力，并且避免材料振动处理过程中出现自开裂。本方法的工作原理成熟，实施方案简便易行。

附图说明

图1是低碳钢焊缝原始残余应力的分布

图2是低碳钢焊缝加热退火后的残余应力分布

图3是低碳钢焊缝室温振动处理后的残余应力分布

图4是低碳钢焊缝加热与振动联合处理后的残余应力分布

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

(1)实验材料

普通低碳钢钢板，厚度10毫米，采用V型坡口焊接，相同工艺共焊接4块实验材料，编号分别为1-4号，其中1号焊缝不进行去应力处理。

(2)加热退火

将2号焊缝加热至400℃温度，进行中温短时间加热退火处理，加热退火的时间为20分钟。

(3)常规振动处理

利用常规的室温振动去应力方法，对3号焊缝进行去应力振动处理，振动时间选择为20分钟。

(4)加热与振动联合处理

将4号焊缝加热至400℃温度，同时进行加热与振动联合去应力处理，处理的时间为20分钟。

(5)残余应力评价

利用X射线应力仪，测量上述1-4号焊缝表面的残余应力分布，结果分别如图1-图4所示。图1中原始焊缝表面残余应力较大，图2中加热退火可消除平均残余应力的20％，图3中常规振动处理可消除平均残余应力的30％，图4中加热与振动联合处理则消除平均残余应力的70％即效果明显。

测量结果表明，加热与振动联合处理去应力的效果，并非是加热退火与常规振动处理去应力效果的简单叠加，两种处理方法的联合去应力作用高于它们的叠加效果。在加热与振动联合处理过程中，除了热松弛去应力与振动去应力效应之外，高温状态下材料中残余应力更容易被振动循环载荷所松弛，故两种处理方法的联合作用比它们叠加效果更为明显。此外，无损检测证实，加热与振动联合处理后的焊缝表面未发现裂纹，主要是由于高温状态下材料塑性得到了改善，有效地避免了材料振动处理过程中的自开裂现象。

Claims (5)

1、一种金属材料加热与振动联合去应力方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)钢铁材料的加热与振动联合处理的加热温度小于其再结晶温度，大型构件对存在残余应力的区域进行局部加热；

(2)材料振动频率及振幅能使材料发生共振动，施加交替的循环载荷，材料中存在残余应力区域的局部循环载荷超过其屈服强度；

(3)选择加热与振动联合处理的时间，与纯机械振动处理时间相同。

2、根据权利要求1所述的金属材料加热与振动联合去应力方法，其特征是，所述的步骤(1)中，钢铁材料加热温度小于等于500℃。

3、根据权利要求2所述的金属材料加热与振动联合去应力方法，其特征是，所述的步骤(1)中，对于大型构件，采用煤气烘烤对存在残余应力的区域进行局部加热。

4、根据权利要求1所述的金属材料加热与振动联合去应力方法，其特征是，所述的步骤(2)，是指：利用激振器并选择材料的共振频率及共振振幅，所施加的循环载荷能够使材料存在残余应力的区域发生塑性变形。

5、根据权利要求1所述的金属材料加热与振动联合去应力方法，其特征是，所述的加热与振动联合处理时间小于等于30分钟。

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