精密钢管消除残余应力的方法(金属)——时效处理

　　金属工件(铸件、锻件、焊接件)在冷热加工过程中都会产生残余应力，残余应力值高者（单位为Pa）在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除工件的残余应力就十分必要了，特别是在航空航天、船舶、铁路及工矿生产等应用的，由残余应力引起的疲劳失效更不容忽视。 

　　目前的针对残余应力的不同处理方法有：自然时效方法和人工时效方法（包括热处理时效、敲击时效、振动时效、超声冲击时效）

　　1、自然时效——适合：热应力（铸造锻造过程中产生的残余应力） 冷应力（机械加工过程中产生的残余应力） 焊接应力（焊接过程中产生的应力）

　　自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，依靠大自然的力量，经过几个月至几年的风吹、 日晒、雨淋和季节的温度变化，给构件多次造成反复的温度应力。再温度应力形成的过载下，促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。 

　　自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置，石墨尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。

　　2、热处理时效——适合：热应力（铸造锻造过程中产生的残余应力） 冷应力（机械加工过程中产生的残余应力） 焊接应力（焊接过程中产生的应力）

　　热时效处理是传统的消除残余应力方法。它是将构件由室温缓慢，均匀加热至550℃左右，保温4-8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。 

　　热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长，会引起石墨化，构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。 

　　热时效如果降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力、应力叠加），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。

　　3、敲击时效（锤击法）——适合：焊接应力（焊接过程中产生的应力）

　　锤击处理很早被引入焊接领域，初期主要应用于消除焊接变形。锤击的方法分为，手工锤击法和电锤锤击法。通过观察分析，认为适当锤击可以消除和减少焊接裂纹，进而推断锤击有消除焊接残余应力的作用， 因此在工艺中采用锤击处理，防止焊接裂纹的产生。一般认为,锤击处理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击,在体内局部产生一定的塑性伸长,释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变,从而达到释放焊接残余应力的目的。但由于锤击（特别是手工锤击）的不规范（锤击力的大小、频率、基体的力学性能及锤击区的温度等）及焊接残余应力准确测试的困难，故对于锤击处理与残余应力的关系，至今尚没有一个科学的和系统的研究。

　　在合适的焊接规范和工艺下，锤击不仅能有效地消除工件焊缝部位的应力，而且能促进热影响区拉伸残余应力的释放，甚至可以获得一定值的压应力。

　　4、振动时效——适合：热应力（铸造锻造过程中产生的残余应力） 冷应力（机械加工过程中产生的残余应力） 焊接应力（焊接过程中产生的应力）

　　振动时效（VSR）就是在激振设备周期性——激振力的作用下在某一频率使金属工件共振，形成的动应力使工件在半小时内进行数万次较大振幅的亚共振振动。使其内部残余应力叠加，达到一定数值后,在应力最集中处，会超过屈服极限而产生微小的塑性变形，降低该处残余应力,并强化金属基体；而后振动在其余应力集中部分产生同样作用，直至不能引起任何部分塑性变形为止，从而使构件内残余应力降低和重新分布，处于平衡状态，提高材料的强度。构件在后序安装使用中，因不再处于共振状态，不承受比共振力更大外力作用，振后构件不会出现应力变形。振动时效也可看作在周期动应力作用下循环应变，金属材料内部晶体位错运动使微观应力增加，达到调节应力稳定构件尺寸的过程。

　　振动时效，在国外称之为VSR技术，它是Vibratory Stress Reliele的缩写。它是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使工件自身产生共振，进而使其内部歪曲的晶格，产生滑移而恢复平衡，提工件的松弛刚度，消除并均化残余应力，使其尺寸稳定。在以消除残余应力为目的的时效方法中，振动时效可以完全代替热时效。原机电部等六个部委将振动时效定为第七个五年计化间推广的节能项目，并将此类产品定位替代进口产品，这种振动消除应力技术在国外已有几十年的应用经验。

　　5、超声冲击——适合：焊接应力（焊接过程中产生的应力）

　　超声冲击是敲击时效的发展。

　　超声冲击技术的特点是单位时间内输入能量高，实施装置的比能量（输出能量与装置质量之比）大。振动处理频率可高达18KHZ-27KHZ，振动速度可达2m/s-3m/s，加速度高达重力加速度的三万多倍，高速瞬时的冲击能量使被处理焊缝区的表面温度以极高的速度上升到600℃，又以极快的速度冷却。这种高频能量输入到焊缝区表面后，使能量作用区的表层金属的相位组织发生一定的变化。

　　1）使焊缝区的金属表面层内的拉伸残余应力变为压应力，从而能大幅度地提高结构的使用疲劳寿命。

　　2）表面层内的金属晶粒变细，产生塑性变形层，从而使金属表面层的强度和硬度有相应的提高。

　　3）改善焊趾的几何形状，降低应力集中。

　　4）改变焊接应力场，明显减少焊接变形。