振动时效和热处理的对比分析

更新时间：2024-03-22  作者: 应力检测

  最近收到留言，问振动时效工艺到底能否取代退火消除应力？现在针对这样的一个问题，给大家一个明确的回答，并对这两种工艺做一个明确的对比分析。

  关于振动时效的机理，目前学术界在这一领域中尚无系统的、满意的解释。本文只从宏观和微观方面提出一些看法和分析。大致情况如下：

  从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形力，无意识导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件发生塑性变形。故一般会用热时效方法以消除和降低残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效一样能降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低30~55%，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一种主要的因素是松弛刚性，或零件的抗变形能力。

  从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加动应力。众所周知，工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不一样的微观缺陷。铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体得石墨。故而无论是钢、铸铁或其他金属，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时，施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值时，在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形。这种塑性变形降低了该处残余应力峰值，并强化了金属机体。

  工件经组焊后，对工件实施退火时（这里只说去应力退火），将工件随炉缓慢加热到500~650℃（＜A1=），经一段时间保温后，随炉缓慢冷却（50~100℃/h）至300~200℃以下出炉。在加热到最高温度时，正是“C曲线”的“鼻尖”附近，此时，出现晶格重构和铁、碳原子扩散现象，钢组织主要仍以珠光体形式存在，其片状得到细化，机械性能高，这一阶段明显其残余应力减弱。故而这一过程可作时效去应力处理。

  通过以上分析，振动时效只是将工件的内应力松弛、应力曲线滑移和各方位的偏向，从而消弱工件内部的残余应力大小，实现减小工件的尺寸变形。这种方法对工件机械性能无改变，工件表面无氧化现象；热时效则是晶格重构和原子的扩散，实现应力减弱，进而减小工件的尺寸变形。这种方法因片状珠光体更加细化，从而能提高工件的机械性能，工件表面出现更多氧化层。

  对于相同的工件，采用两种不同的时效手段，时效后的机械加工工序大致相同，因此，就机加工所发生的工时和成本方面应大致相同。而工件表面处理方面有点区别，对热时效后的工件喷砂快；振动时效的工件喷砂则相对要慢些。

  这里我们先假定对某机械设备工件进行时效处理，按设计重量计算（实际上工件的时效重量是大于设计重量的），其左、右箱体共10个，共重约1945Kg，其它时效件约678 Kg，合计2623Kg。

  首先从振动时效的情况分析，假定采用华云HK2000设备，其功率1.2Kw,单能够直接进行批量处理，一次处理即可，时效时间为40分钟，用电0.8度，转变成电费0.7元/台（白天按0.92元/度计）。其间由一个工人负责管理和操作，共计12小时左右（一般的情况1.5天）完成所有时效工作。若全年生产类似机器200台，则电费为：0.7×200=140元。 然后从热时效的情况分析，假定采用目前的电热退火炉，其功率150 Kw。如果冷炉升温至650℃时，空炉约4小时，消耗电约600度，转变成电费378元（深夜平均按0.63元/度计）。就工件而言，其升温到650℃时，其吸收的热能为：

  每项共计电费378+140.5=518.5元/台，该费用是冷炉计算得到的。

  热时效与振动时效电费差值为（518.5—18.86）元/台≈500元/台。

  两种时效情况对比可见，华云振动时效HK2000的电能耗是相当低的，而热时效则相当高，年消耗量的电费差值已大于十万元。

  振动时效适用于焊接结构件，同样也适用于铸铁、铸钢件和轧钢件等的时效处理。由此推论，该时效方法可适用于伸缩缝型钢和盆式支座的中间钢板、顶板、底盆等工件的时效处理，同时，对新开发的铁路支座仍然适用。

  热时效退火炉已建成使用，就设备投入资金已超过7.2万元，这里不包含定期还要更换炉内的发热丝和其它的使用维护费，其附加费用也不少的。

  振动时效的设备在构件厂还未引入，假定济南西格马科技有限公司生产的SSIN80B振动时效设备（先哲系列中的一种型号），其报价为7.18万元（若不要遥控功能，可减6000元）。据厂家提供的情况，其振动电机持续工作1000小时左右后，对电机可进行检修，如果人为损坏，无法修复时，单独购买电机约每台1万元左右，其设备主要部件寿命不低于5年。

  两种时效处理，既有共性又有个性，其共性之处是两者时效工件后，均能实现目的。振动时效通过微观塑形变形增加位错，热处理通过晶粒细化增加位错，热处理消除应力的水平较高与传统共振振动时效设备，适合处理高精度工件的应力消除；一般的大型焊接件铸件复合材料工件都能够使用振动时效技术；

  随着振动时效技术的发展，频谱谐波时效技术被寄予厚望，能够达到热处理消除应力的水平