振动时效效果评定方法的探讨

'振动时效效果评定方法的探讨龚月霞,付建科,游敏(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌443002)摘要:本文结合当前振动时效技术研究的最新成果,分析了目前正在使用的和尚处于研究阶段的振动时效效果评定方法、原理和应用特点,给出了振动时效判据的几个主要发展方向。关键词:振动时效;残余应力;检测;动应力;判据中图分类号:TG407文献标识码:A文章编号:1004-7948(2004)04-0014-04振动时效(VSR)是通过对应力构件施以循环载荷,使构件内应力释放,从而使构件残余应力降低、尺寸稳定而达到时效之目的。这种工艺具有耗能少、时间短、效果显著和环保性好等特点〔1〕。近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用,特别是在大型、超大型构件、异种金属焊件以及有抗氧化要求的构件的消应力过程中,被广泛用来代替以尺寸稳定性为目标的热时效。然而振动时效毕竟是门新技术,除理论尚不完善外,应用过程中还存在很多问题,主要问题之一就是工艺效果难以评定,严重制约了振动时效技术的应用和发展。因此,对振动时效效果评定方法进行广泛而深入的研究和探讨是非常必要的。1振动时效效果评定方法就实际应用来说,构件振动时效后的效果必须加以评定,目前使用的评定方法主要有:参数曲线评定法、残余应力测量法和精度稳定性检测法〔3〕。由于这三种方法的原理不同,其评定精度、适用条件和对构件的影响都是不同的,因此,研究探讨不同的振动时效效果评定方法,了解它们的特点和适用条件,对于正确合理地评定振动时效效果是非常重要的。111参数曲线评定法参数曲线评定法是根据振动时效过程中参数(振幅、固有频率和带宽等)发生有规律的变化现象总结出来的,并经过直接评定法验证的实用的评定方法。所用的判据有三条,即:施振后扫描曲线上共振频率左移,施振后扫描曲线上共振峰值升高和施振后扫描曲线上共振区峰宽变窄。国外所用的判据是稳态振动时电机电流减少。引起上述现象的原因是构件在振动过程中,振动应力与残余应力叠加,导致个别取向的位错塞积开通,位错滑移。但由于晶粒方向不一,滑移带互成角度,从而导致新的小晶粒的形成和亚晶界产生,其结果表现为晶粒细化和位错增殖。位错密度的增加必然导致位错再滑移阻力的增大,位错移动将减少,从而减小构件阻尼。由于构件阻尼系数的减小,共振频率降低,共振峰左移,且共振峰值增大,带宽减小〔4〕(如图1、图2、图3为典型的时效前后振动扫描曲线)。图1共振频率左移图2振动幅值增加图3峰值频带变窄参数曲线评定法是一种直观、定性、快速的评定 尼的降低而造成自身松弛刚性和抗变形能力提高的信息,而这正是残余应力测量法所不能反映的振动效果。但是,参数曲线的改变本身不能给出有关工艺效果(如残余应力的减少量)的定量描述,因此只适合作为一种辅助性评定手段,进行定性的现场初步判定。112残余应力测量法振动时效效果的主要表现之一是消除和均化材料内部的残余应力。因此,振动前后残余应力的测量被作为评定时效工艺效果的主要手段。它是通过测量振动处理前后的残余应力大小,得到残余应力下降值和残余应力的均化程度,来评价振动时效效果好坏的。这种方法的关键在于残余应力的测量,目前测量残余应力的方法可分为两类,即无损伤的物理测量法和有一定损伤性的机械释放测量法。物理测量法主要有X射线衍射法和磁测法等,机械释放测量法则以盲孔法为代表。物理测量法中,X射线衍射法最为成熟,它是利用X射线穿透晶粒时产生的衍射现象,在弹性应变作用下,引起晶格间距变化,使衍射条纹产生位移,根据位移的变化即可计算出应力来。但其测深仅为微米级,易受表面加工层的影响,很难得到更有代表性的体残余应力,且受环境等条件限制,现场操作不是太方便,漫射的X射线对人体健康有一定影响,使得它在现场应用受到限制。磁测法是利用铁磁材料中残余应力的存在将引起材料磁导率发生变化的效应进行的,主要是针对大型构件而研制的〔5〕。与X射线衍射法相比,测深有所增加,可达115mm左右,一定程度上可以避免材料表面层的影响。但由于磁导率物理关系复杂,因而应用中问题明显:(1)只适用于铁磁材料,无法测量不锈钢等材料的残余应力;(2)传感器的尺寸与工件结合力的大小都显著影响测量结果;(3)易受材料成分、组织结构等因素的影响,不同的材料需预先标定;(4)磁导率和残余应力关系复杂,标定困难且误差大。目前国内还只见到进行单向应力标定的资料,尚无标定平面应力应变的资料报道〔2,6〕。因此,工程应用中仍以机械释放法为主,特别是盲孔法。盲孔法是工程中最通用的一种残余应力测量方法。经过大量理论研究和实践验证,对其测量原理、实际工艺因素的影响和误差来源已经形成了比较完善的理论。概括来讲,影响盲孔法测量精度的因素主要有基本力学模型、孔边塑性变形、钻削附加应变、操作工艺及设备误差等。关于这方面已经有比较完善的理论解释和相应的修正方法。但是,盲孔法的局限性也是明显的,如因钻孔损伤构件而不适用,还有它操作工序复杂、技术难度高、测量误差难以控制、且费工费时,因而在生产中难以普及〔7,8〕。由上看来,残余应力测量法是一种定量的振动时效效果评定方法。近年来物理测量法发展迅速,但由于自身测量手段的局限性,应用并不广泛。对于小孔损伤不敏感的构件可采用盲孔法测量残余应力,对于单件和小批量生产的薄壁压力容器、重要军工产品和缺口敏感的高强钢等构件则不宜采用盲孔法。113尺寸精度稳定性检测法检验构件在振动前后尺寸精度稳定性的程度是评定振动效果的又一手段。在振动时效过程中,一方面,振动时效可以降低和均化材料内部的残余应力,从而减小构件使用过程中因应力释放而造成的局部变形;另一方面,金属构件中晶粒内的位错产生运动,并产生新的位错。位错运动时,往往是在软取向晶面首先运动,这种运动将受阻于晶界或其他障碍,动应力不断激起位错运动,位错运动时又将不断产生增殖,这些位错将积聚缠结,从而使位错的组态发生变化,位错密度增加。对于大多数金属构件,由于合金元素的存在,基体金属含有溶质原子呈置换或间隙形式存在的固溶体,溶质原子在晶格中产生应力场,它与位错的弹性应力场之间要产生相互作用。如果溶质原子扩散到刃型位错附近或刃型位错运动到溶质原子附近,溶质原子就会被吸附到位错线附近,致使位错运动阻力增大。位错密度增加到一定程度后,溶质原子与位错的相互作用非常强烈,此时位错将处于非常稳定的状态,其位错内耗值几乎为零。这种溶质原子对位错的钉轧作用,将使晶体得以强化,从而提高了构件抗变形能力和尺寸稳定性〔9〕。精度稳定性检测法是根据对构件精度的测量来实现的。根据其操作特点,又可分为加工检测法、动载法和静置法。静置法是将构件长期放置定期检验尺寸稳定性,在放置15天时第一次检验,以后每隔30天检验一次,总的静置时间应在半年以上。动载法是观察构件在动荷载作用后的尺寸精度变化量。精度稳定性检测法能检验出振动时效前后构件尺寸精度稳定化的程度,而这是其它评定方法无法 检测到的。因此对于以要求精度稳定性为主的构件,宜用精度稳定性检测法评定振动时效效果。但是静置法由于时间长,且容易受地基蠕变和支撑刚度变化的影响,因而有很大的局限性。加工检测法和动载法虽然快速,但对测量设备精度要求高且操作困难。114新评定判据综上所述,上述方法在实际生产中能起到一定的指导性作用,但离快速、实时、定量、准确的现场评价要求还存在一定的差距,针对这个问题,新近出现了两种新的振动时效效果评定判据。11411动应力判据振动过程实质上是构件在附加交变应力下循环振动的过程,当附加应力与自身残余应力叠加后达到或超过材料的屈服极限时,构件将发生微观或宏观塑性变形,从而降低和均化内部残余应力,稳定尺寸精度。因此,动应力作为振动过程中最重要的参数,必然和振动效果存在某种相关性。陈立功等在文献〔10〕和〔11〕中通过数学回归分析和曲线拟合得到它们近似的函数关系DP—CH方程,即对于焊接构件来说,不仅如此,其焊缝与两侧母材上残余应力分布起伏颇大也为早期和近期的测试结果所证实。因此,就整体构件的振动响应特性来看,复杂构件可以被看作是主体结构与其它数个子结构的联接体。振前扫频时,主体结构的响应特性虽然决定了幅频曲线的基本形貌,但受转动惯量与子结构的影响,曲线上往往存在着似峰非峰的“次振包”,使得整条曲线上除了共振峰外,其余部分也凸凹滞涩。在随后的共振处理中,由于这些“次振包”的迁移、增高,将对主振峰产生较大影响,主振峰的峰值与频率可能发生多种多样的改变,从而使得《振动时效工艺参数选择及技术要求》中提出的在简单构件上适用的判断标准部分失效。所以,有必要寻找构件振动处理前后幅频曲线变化更一般、更本质的特征。许等在以往有关振动时效动力学研究和振动力学分析的基础上,就不同类型阻尼对幅频曲线的影响进行了讨论,从而对振动时效动力学做了进一步探讨,提出了依据幅频曲线形貌变化对复杂构件的振动时效效果做出现场即时定性判断的判据12。经过合适的振动处理后,虽然构件的形状与振前仍然相同,但从微观上讲,高应力区段上的残余应力和结构拘束力得到释放或降低,粘性阻尼和结构阻尼变小,各子结构联接部位因经历了较大幅度的循环硬化而增强了刚性,相对于主体结构的振动效应特性而言,子结构的“异己性”或者趋于消失,或者虽仍存在,但在扫频曲线上表现为典型的共振峰。于是,整体结构相似于简单构件,振后扫频曲线与振前相比,变得简洁而平滑〔12〕。因此,与振前扫描曲线相比,振后扫频曲线是否简洁而平滑,是振动时效效果现场即时评定的又一判据。该判据拓宽了参数曲线评定法的应用范围,是参数曲线评定法的有效补充,除了对残余应力状况要求极严的构件以及批量生产中的样件要进行定量测试外,可以满足工程上那些需要现场即时判断振动时效效果的需要。在工程实践中具有很好的应用前景。但其仍属于定性而非定量判据,并且还不完善和成熟,还需要进一步深入研究。2振动时效评定方法的发展趋势综上分析可知:参数曲线评定法是一种直观、定性、快速的评定方法。但是,参数曲线的改变本身不能给出有关工艺效果的定量描述,因此只适合作为1341·σ015855·n011864k16152(10-6)εv=exp11729-dnεv—构件应变松弛量;σd—动应力峰值,MPa;n—加载次数;k—原始应力水平,一般k≤1。根据上述函数关系式,在一定的工艺参数条件下,可以估计振动时效工艺后效,也可在振动时效过程中,通过动应力的在线检测,实时定量判断消应力效果。以此判据为基础的振动时效效果评定方法与其它方法相比不仅具有快速、实时、定量的现场评价特点,而且还可估计振动时效工艺后效,易于整个振动时效工艺过程的自动控制,因而具有良好的应用前景和推广价值。但其仅从数学模型出发,将变量推广到实际应用范围,在一定程度上得出了一些与实际结果近似的结论,难免会存在一些问题。由于影响消应力效果的因素还很多,实际操作与实验控制过程并不完全一致,比如实际加载速度比实验快,构件材质的差异等,因此,还需不断地改进以使之完善和成熟。11412振动时效现场判据复杂构件的刚度分布不均匀是难以避免的,而式中 一种辅助性评定手段,进行定性的现场初步判定;残余应力测量法仍被作为评定时效工艺效果的主要手段;精度稳定性检测法也是作为辅助性手段以完成对工艺效果的全面评定。工程中最通用的一种残余应力测量方法是盲孔法,但是当材料表面层影响不大时,X射线衍射法和磁测法可取代盲孔法以完成快速、便捷、定量的时效效果评定。采用振动时效过程动应力测量,来定量判断消应力效果及估计工艺后效,较其它方法更快速、方便、经济且易于规范化,有良好的应用前景。但该理论还不够成熟,还有待研究和完善。据此,笔者认为对振动时效效果的评定在如下几个方面有必要进行探讨和研究。(1)残余应力测量方法的进一步完善和新的测量方法的研究。如上所述,无论是工程上通用的盲孔法,还是无损检测的X射线衍射法和磁测法都各有其应用局限性,如:盲孔法操作复杂,X射线衍射法易受表面影响且因自身特点在现场应用受到限制;磁测法测量铁磁体材料的内应力,能够无损快速地测量钢结构中的残余应力,但国内还只进行单向应力标定。所以还需要进一步的研究和改进,以使其更准确、快速易于检验构件残余应力,为振动时效判据检验提供更大的方便。另一方面开发研究新的测量方法,如近年来,许多学者采用激光全息干涉法、激光散斑剪切干涉法、激光反射全息干涉法等光学方法替代电测法进行残余应力的测量,克服了电测法粘贴应变片的麻烦等。(2)进一步完善现有的评定方法判据,使其更加成熟和实用化。目前广泛使用的参数曲线观测法、残余应力测量法和精度稳定性检测法在实际生产中起到一定的指导作用,但与快速、实时、定量、准确的现场评价要求还存在一定的差距,有进一步深入研究的必要。例如若能将参数曲线观测法的评价效果定量化,残余应力测量法的检测无损化、快速化和简单化,将大大提高上述两种方法的实用性和准确性。近几年出现的尚处于研究阶段的动应力判据,是一种有极好应用前景的方法,但从实用角度看,还有很多问题有待研究,如构件残余应力的大小和分布对评价结果的影响,实际加载速度和构件材质差异的影响等。从理论上和实际应用上进一步研究完善该判据,不仅会使目前的振动时效效果评定方法上升到一个新的水平,而且会加快振动时效技术的发展和应用。(3)探索振动时效效果检测的新途径,研究既快速、准确、实时,又操作简单、便于现场观测的新的振动时效效果评定方法和判据。(4)专家系统型设备的研制,使时效和检验设备一体化。我国振动时效设备迄今为止经历了普通型、智能型和专家系统型三个阶段。尤其是专家系统型的出现是振动时效设备制造领域质的飞跃,由于其采用了新电路方案,静态特性和动态特性明显改善,但还未能完全实现振动时效效果检测的在线、实时和全自动化。因此完善和开发新的专家系统设备,使振动和检验一体化,实现现场快速、实时、准确地检测时效效果是未来振动时效技术的一个发展方向。参考文献ClaxtonRA.Vibratorystressrelieving-aneffectivealter2nativetothermaltreatmentforcomponentstabolisationJ.HeatTreatmentofMetals,1991,(2):53-59.Klamecki,BarneyE.ResidualstressreductionbypulsedmagnetictreatmentJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,141(3):385-394.JB/T5926-1991,振动时效工艺参数选择及技术要求S.芦亚萍.振动时效判据分析J.组合机床与自动化加工技术,2001,(4):22-24.陈芙蓉,霍立兴,等.非破坏性测量焊接残余应力方法的应用现状J.金属结构的焊接,2001,(3):37-39.温旭东,陈亚茹.用磁性法测定大型球罐残余应力J.石油化工设备,2001,(7):46-48.林丽华,陈立功,等.残余应力测量技术现状及其发展动向J.机械,1998,(5):46-49.邵卓平,张伟林.振动时效工艺中残余应力测试方法的探讨J.安徽建筑工业学院学报(自然科学版),1998,(3):58-61.宋天民,张国福,等.振动时效机理研究J.吉林大学自然科学学报,1995,(2):53-56.陈立功,刘毅萍,等.振动时效的动应力判据J.实验力学,1998,(4):439-445.陈立功,倪纯珍,等.振动时效效果动应力判据的数学建模方法J.焊接学报,1999,(12):103-107.许,孙茂才,等.振动时效效果现场判断的判据J.焊接学报,2002,(2):63-68.123456789101112作者简介:龚月霞(1978-),女,硕士研究生,主要从事振动时效消除焊接残余应力的研究。(收稿日期:2003-12-16) enumeratedsomeadsorptionrefrigerationapplicationsinusingremainingheat,pointedouttheadsorptionrefrigerationconsiderablemarketvalueandenormousdevelopmentpotentialityinusingremainingheat.Keywords:adsorptionrefrigeration;usingremainingheat;energysavingFundamentalmechanismandpreventivemeasuresofheattransfercorrosionfoulingHENGShi2quan,JIANGLiThecorrosionfoulingthatisformedonheattransfersurfacein2creasesheattransferthermalresistanceanddecreasesheattransfercoef2ficient,sothatthetotalexpensesofheattransferincrease.Thispapermainlyintroducesdefinition、fundamentalmechanism、mathematicalmodelforpredictingandpreventivemeasuresofcorrosionfouling.Inpreventivemeasuresofcorrosionfouling,itespeciallypresentsthepre2ventiveresultofcoatingandnon-metalmaterials.Keywords:corrosionfouling;preventivemeasures;corrosionin2ABSTRACTSApril2004No.4TotalIssueNo.261hibitor;coatingSeveralmethodofrunningofsecondarypressurepumpstationsaveenergyinresidentialquarterLIJing2yao,ZHANGYan,LIYa2feng,etalSecondarywater-supplytechnologicalequipmentatsecondarypressurepumpstationinaresidentialquartercanrunthroughvariableflowandvariablepressureaccordingtothewaterflowandpressureofinternalnetworkintheresidentialquarter.Thathasalwaysbeenadiffi2cultprobleminsecondarypressuremicrocomputerwater-supplyequip2mentatsecondarypressurepumpstationformanyyears,exploringane2conomical,practical,stableandreliablemethodofvariableflowandpres2surehasbecomeacommontargetofdomesticwater-supplyanddrainageindustryandwater-supplyelectromechanicalequipmentfacto2riesintherecentyears.”ModelXBTmicrocomputerintelligentwater-supplycabinet”seriesproductsnotonlysuccessfullysolvesthedifficultproblemof“variableflowandpressure”runningofwater-supplyequip2mentatsecondarypressurepumpstation,butalsosolvestheproblemofautomaticremotecontrolandmonitortosecondarypressurepumpsta2tion.Keywords:pumpstation;saveenergy;variablefrequencywaterReviewandprospectofresearchonlatentthermalenergystorageinthedomainofHVACFUYing2hui,FENGGuo2hui,LΒShi2lei,etalTheresearchesofphasechangeheattransferarereviewedinthispaperfromthefollowingfouraspects.(1)Thecharacteristicsandsolvingmethodsofphasechangeheattransfer;(2)ThedevelopingandeffectofPCMwallboards;(3)Theapplyingofphase-changeinheatingandair-conditioningsystems;(4)ThebenefitsoflatentthermalenergystorageusedinHVAC.Atlast,directionsandcontentsofresearchonlatentthermalenergystorageinthedomainofHVACareputforward.Keywords:phasechangeheattransfer;PCMwallboard;phasechangethermalandcoolstorageAnalysisontemperaturefieldarounddirectly2buriedpipeswithmulti2layerinsulationCHENGYan,SHENSheng2qiang,YUANYong2boThetemperaturefieldinducedbydirectly-buriedpipeswasana2lyzedbyboundaryelementmethod.Theimaginedadiabaticboundarywasintroducedintotheremoteareaaroundburiedpipes.Thereforethediscretizationelementsarereducedsincetheyaremainlyongroundsur2face.Withthemethodthetemperaturedistributionsinmulti-layerin2sulationwerecomputedforbothsinglepipeanddoublepiesunder2ground.Theresultsshowtheinfluenceofmulti-pipes.Keywords:BEM;multi-layerinsultion;directly-buriedpipesupply;variableflowandvariablepressureTheanalysesoftheproblemaboutnormalairsupplyopeningusedincryogenicairsupplysystemWANGYongThisarticleusesthemethodofnumericalcalculationtostudytheproblemresultedfromthatnormalairsupplyopeningareusedinthecryogenicsystembyacalculationexample.Anditexplainswhythecryo2genicsystemisn’tusedsowellinourcountry.Keywords:cryogenicairsupply;normalairsupplyopening;in2ThediscussionsofthemethodsofevaluatingvibrationstressreliefeffectGONGYue2xia,FUJian2ke,YOUMinAccordingtothelatestresearchresultsofthepresentVSRtechnol2ogy,themethods,principlesandapplicationcharactersoftheVSRevalu2ationsofpresentlyusedandstillunderresearchapproacheswereanalysedinthisarticle,andgivethemaindirectionsofitsdevelopment.Keywords:vibratorystressrelief;residualstress;examination;ductionTheapplicationinthepowerplantwatertreatmentoftworoomsdouble-deckfloatsbedZHAOZhen2shengPasstheadoptionwithtworoomsdouble-deckfloatsbedfortheequipmentsofsystemwater,cannotonlyimprovesthesupplyabilitythatdividedbythebrinesystem,butalsobeexcellenttoturnthepro2ductioncraft,increasetheutilizationoftherebornliquidtoattainthepurposeofsaveenergyandincreasesperformance.Keywords:floatsbeds;fixedbed;exceptsaltsolution;technigue;dynamicstress;evaluationTheselectionofoptimalloadrangefortheparallellyrunningtransformersinsubstationsCHENHai2han,GUOXiao2long,LIUMing2boBasingonthetheoryofeconomicalrunningofpowertransformer,seriesofformulaeaboutthescopeareintroducedandapracticalalgo2lithmisproposedinthepaper.Thesecanbeusedtoimprovethear2rangementoftransformers’parallelrunningforthepurposeofreducingsaveenergyAnalysisandcountermeasureforthetroubleduringdischargingboilerwastewaterLUZu2liang,GUWen2zhongItwasanalyzedthatthereasonofvibrationnoiseandpipejamdur2ingthesteamvesselV-521dischargingboilerwastewater,andim2provedontheprocessofdischargingboilerwastewater,whicheffectiveresolvedthetroubles.Keywords:V-521dischargingboilerwastewater;noise;producetheenergyloss.Keywords:transformer;parallelrunning;optimationTheapplicationofadsorptionrefrigerationinusingremainingenergyDUWei2ming,XUMing2fangYANGang,etalInthispaperexistingremainingheatwasintroducedbrieflyandblock;chemicalreaction522149144293162825EnergyConservation(Monthly)Sponsor:LiaoningProvincialInstituteofScienceandTechnologyInformationPublisher《:EnergyConservation》MagazinePublishingHouseChiefEditor:ZHANGWei2huaAddress:No.274QingnianBoulevardShenyangCityLiaoningProvinceChinaPostCode:110016'