振动时效对金属结构疲劳强度影响的研究

【摘 要】通过试验证明了振动时效技术在消除残余应力的基础上，能够提高结构件的疲劳寿命。

【关键词】振动时效、疲劳强度、残余应力、疲劳寿命

【分类号】TG115.57

振动时效是近年来兴起的一种先进技术，由于这种技术具有诸多优点，我国机械加工业已普遍开始采用，并且已被越来越多的人接受。

振动时效技术在降低残余应力方面已可以与热处理相媲美，但对于金属结构疲劳寿命的影响问题，有较大的分歧意见，我们对此进行了研究。

1、 残余应力对疲劳寿命的影响

对材料承受动载性能的影响而言，残余应力对材料疲劳强度的影响是重要的。从定性的角度，就一般关系而论，当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度就会提高，而存在拉伸残余应力时，其疲劳强度就会下降。实际上，因条件和环境的不同，残余应力对疲劳的影响是复杂的。它与残余应力的分布和大小、材料的弹性性能、外来作用应力的状态等有关，还与残余应力的发生过程有关。

由于焊接、铸造、冷加工等工艺引起的残余应力在工程结构中大量存在，有关残余应力对结构疲劳强度的影响已开始引起人们的重视。从大量的实验结果可以看到，残余应力的影响不容忽视。

图1、图2是分别对焊接管节点和带横向对接焊缝试件的试验结果。试验结果说明，疲劳寿命的提高是消除应力的结果。因为，这里首先采用了振动时效技术消除了试件中的残余应力，而这种工艺是不会在试件中产生冶金作用的。因此，可以充分证实残余应力对疲劳强度的显著影响。

图1 管节点疲劳试验结果

图2 残余应力小试件疲劳试验结果

残余应力的这种影响可以从断裂力学的理论中得到解释。在大量的实验中人们发现，除了应力强度因子幅值△K外，平均应力等因素对疲劳裂纹的扩展也有影响，这种影响可以从图3中看出。图中给出了在不同循环特征（R=Kmin/Kmax）时，用Pαris公式整理的da/dN-?K曲线。在同一?K时，R值越大（即平均应力越高），da/dN越大。因此，平均应力为压应力，疲劳裂纹扩展速率将比平均应力为拉应力时低，这表明了压缩残余应R=0.103力可以提高疲劳强度。

图3 平均应力对裂纹扩展速率的影响

2 振动时效与疲劳寿命

振动时效技术能有效地降低残余应力，稳定结构尺寸，已被大量的实验证明，从这个作用来说，振动时效也将提高结构的疲劳强度。

某铁路客车工厂原生产铸钢客车转向架构架，后因需要改为焊接构架。由于生产量大，做热时效处理，时间来不及，且需建立大型焖火窑并耗费大量能源。改为振动时效处理，解决了上述问题，并提高了构架的疲劳寿命。

客车转向架焊接构架在运行中主要承受疲劳载荷，图3平均应力对裂纹扩展速率的影响。疲劳断裂是其失效破坏的主要型式。焊接构架上各横向焊缝及焊接接头等应力集中区，是产生疲劳源的主要区域。除对这些点进行打磨处理以消除应力集中外，振动处理主要在于消除残余应力对疲劳寿命的影响。

为了制定该项振动处理工艺，用焊接构架侧梁（主要承载梁）做疲劳寿命的对比试验，其中一根未做任何处理；一根做正常的热时效处理；另一根按“1/2荷载法”做振动时效处理。然后再在相同的模拟载荷下做疲劳寿命的对比性试验。由附表的试验结果可以看出，在侧梁上采用振动时效可显著提高其疲劳寿命，而且比热时效的效果好。且振动时效工艺简单易行，应用于生产中，能取得显著的经济效益。

焊接构架侧梁疲劳试验数据表

编号 时效类型 开裂寿命 提高率 总寿命 提高率

1 未时效 143100 456000

2 热时效 158000 比1高10.4% 491500 比1高7.8%

3 振动时效 362000 比1高152.9% 934300 比1高104.9%

不过，振动载荷也是一种疲劳载荷，因此，振动时效过程也可以说是一个“疲劳”过程，它能否造成疲劳损伤，降低疲劳强度的问题一直为人们关注。

为了考虑振动时效对疲劳寿命的影响，我们做了两组无残余应力光滑小试件的疲劳寿命试验，试件为材料供货态和经振动处理的试件。其结果见图4,从图4中可以看出经振动时效处理的试件与未经振动时效处理的试件其疲劳强度无明显差异。显然振动时效并没有引起疲劳损伤，亦末降低疲劳强度。

图4 无残余应力小试件疲劳试验结果

3 总结

本文通过一些疲劳寿命对比试验，充分证明：残余应力对金属结构疲劳寿命的影响是严重的，振动时效的关键在于消除或降低金属结构的残余应力。因此作为以消除残余应力为主要目的的振动时效技术可以提高金属结构的疲