振動時效技術是對工件施加變化的循環載荷來消除和減少內部殘余應力。該技術具有耗能少、*、無污染、處理快速等優點，廣泛應用于消除焊接件、重型工件的殘余應力。

振動時效原理

　　振動時效是用激振設備在構件殘余應力集中處施加等幅交變循環激振力，構件在共振狀態下獲得較大的激振動應力，在某個方向上的合應力超過材料的屈服極限，該處會產生屈服變形，引起殘余應力松弛并釋放出來，使殘余應力均勻分布。這種方法不僅能有效地降低峰值殘余應力，而且能使整體殘余應力值下降。

　　下圖為金屬材料受等幅交變應變ε_B-ε_C作用時的應力應變曲線，圖中OA為彈性載荷段，構件的初始殘余應力為σ_A，ACB是次發生屈服變形后的應力應變曲線。構件內的總應力超過屈服點而發生變形，在C處殘余應力沿彈性卸載荷線CB'下降，經過D點后曲線偏離CB'至B點，完成一次交變應變循環。經過多次交變循環后，曲線循環穩定為C'E'B"EC'，此時殘余應力由σ_A減小至σ_E，殘余應力減小至穩定的過程就是振動時效宏觀機理的直觀表示。

　　要消除或減小工件中的殘余應力，必須滿足以下條件：

　　(1)構件內部殘余應力與激振器施加的激振動應力疊加后的總應力應超過材料屈服極限。即σ_殘+σ_動>σ_s，其中：σ_殘為構件內部殘余應力，σ_動為激振動應力，σ_s為材料的屈服極限。

　　(2)隨著振動時效時間的增長，構件內部的殘余應力會由于發生塑性屈服而下降。當殘余應力降低到與振動應力疊加后等于新的屈服極*，構件內的將達到平衡，使構件尺寸穩定性得到提高。

　　(3)殘余應力隨時效振動的進行而降低，并終達到平衡，如果要繼續降低σ_殘，就必須增大σ_動，否則在構件達到平衡后的振動是無效的。

　　從微觀角度來看，殘余應力降低的本質是通過某種微觀或局部的塑性變形使構件中的彈性應變能逐漸釋放的過程。構件晶體內有大量位錯存在，在循環應變下，位錯克服阻力產生滑移，使晶體產生微觀塑性變形，殘余應力的峰值降低，使構件原來的內應力場發生改變，內應力降低并重新分布,進而達到平衡。

　　在振動交變應力的連續激勵下，會不斷被激發出位錯。隨著不斷對構件施加循環應力，位錯將會變得更加均勻，位錯的移動，即晶體屈服的開始，此時材料開始發生塑性變形。上述過程將會使應力集中區的應力減小，殘余應力的峰值降低。

振動時效特點

　　在機械制造、航空、化工器械、動力機械等行業中，用鋼、鑄鐵、有色合金等材料制造的各類零件成功地采用了振動時效。振動時效之所以得到各方面的普遍重視，是由于它具有如下特點：

　　1、投資少。與熱時效相比，它無需龐大的時效爐，可節省占地面積與昂貴的設備投資。現代工業中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時效消除應力則需建造大型時效爐，不僅造價昂貴，利用率低，而且爐內溫度很難均勻，消除應力效果很差。采用振動時效可以*避免這些問題。

　　2、生產周期短。自然時效需經幾個月的放置，熱時效亦需經數十小時的周期方能完成，而振動時效一般只需振動數十分鐘即可完成。而且，振動時效不受場地限制，可減少工件在時效前后的往返運輸。如將振動設備安置在機械加工生產線上，不僅使生產安排更緊湊，而且可以消除加工過程中產生的應力。

　　3、使用方便。振動設備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動處理不受場地限制，振動裝置又可攜至現場，所以這種工藝與熱時效相比，使用簡便，適應性較強。

　　4、節約能源，降低成本。在工件的共振頻率下進行時效處理，耗能極小。實踐證明，功率為186~746W的機械式激振器可振動150t以下的工件，故粗略計算其能源消耗僅為熱時效的3%~5%，成本僅為熱時效的8%~10%。

　　5、振動時效操作簡便，易于實現機械化自動化。可避免金屬工件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前能進行二次時效的方法。

振動時效工藝

　　1、運用振動理論對工件進行預分析

　　根據工件形狀，分析可能出現的振型。

　　①梁型零件：工件的長與寬比>3、與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用3-4個橡膠墊支撐工件在距一端2/9處和7/9處。

　　激振器固定在工件或中間一側。

　　②箱型零件：工件長、寬、高比例接近，因其固有頻率高，一般激振器電動機轉速難以達到，可以通過剛性連接方式形成梁型工件加以處理。

　　③板型零件：工件長寬接近，長度與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用4個橡膠墊支撐工件在距一端1/3處和2/3處。

　　激振器固定在工件中間。

　　④圓形工件：直徑與厚度比>5，以4點支撐為住，布置在互垂直的兩直徑端部。激振器剛性卡在兩支點之間。

　　⑤若工件長寬比很大、剛度小，應考慮多階振型激振方式。

　　⑥小型零件應采用振動臺集中處理方式。

　　2、振動掃描工件固有頻率和振動強度

　　①處理對象的選擇：工件在振動時效時是一個振動體，它的共振頻率與其自身的質量、剛度、阻尼有關。采用振動時效要使工件能在激振器的頻率范圍內產生共振，也即工件與激振器固定后振動體固有頻率應小于激振器頻率。因為大部分國產激振器電動機轉速10000r/min，只能激發固有頻率在167Hz以內的工件。當然可以采用單臂懸伸、多件剛性連接等降頻措施，或實行倍頻共振等技術。

　　②掃描工件頻率：振動時效設備以自動掃描方式檢測出被時效處理工件的共振頻率和合適的振動能盤強度。

　　③振動強度是指振動處理時激振器施加給工件的動應力。附加動應力與工件殘余應力疊加后，造成工件局部或整體塑性變形能夠使工件殘余應力釋放、均化、消除，進而提高基體抗變形能力。研究表明過載系數K=動應力/殘余應力，能夠體現振動時效處理的有效性，通常K值為0.45取值較合理。在沒有動應力檢測的條件下可以用振幅指標替代。

　　3、振動處理

　　①激振：調節振動時效設備達到掃描檢測的工件固有頻率，回復至亞共振狀態，給予適度的激振力，保持激振時間獲得時效效果。

　　②激振時間：振動時間的長短意味著加載次數，根據美國馬丁公司“二次掃描分析法”：1t以內，10～15min;1~3t，15-20min;3～5t，20～30min;5t以上，30～40min。

　　③工件支撐點及激振點的選擇：不同類型的工件具有不同的振型，支撐位置應該是工件振動波的節點處，支撐處采用彈性材料(橡膠墊等)。激振點是工件振動波的波峰處，將激振器剛性夾持戲此處，能夠激起大的共振幅值和動應力。

振動時效效果評定

　　1、殘余應力測試法：通常有切割法、小盲孔法、X射線檢測法，由于上述方法有一定的破壞性，現場難以操作僅作為實驗使用。

　　磁檢測法：具有設備簡單、易于操作、數據直觀等特點，它不僅可以檢測殘余應力也可以測量載荷作用下的應力變化。原理為：在磁場作用下應力產生磁異性，將磁導率的變化轉化為電信號，通過傳感器和電路，輸出的電流(或電壓)值反映應力的變化。該種方法隨著技術和產品的不斷成熟會擴大應用，但工件表面粗糙度有一些影響。

　　2、尺寸穩定性檢測：尺寸穩定性是定期對工件尺寸精度的測量來實現的。一是觀測工件尺寸精度隨時間延長發生的變化，二是測量工件在動、靜載荷作用下的尺寸變化(可與熱時效比較)。此種方法效果好，但時間在3個月以上，只適用在驗證新型零件或新型工藝上。

　　3、參數曲線觀測法：可根據振動時效設備處理過程實時打印a-t曲線的變化及a-n曲線振前后的變化評估振動時效效果。出現下列現象可判定振動時效有效：①a-t曲線上升后變平;②a-t曲線上升后下降，終變平;③a-n曲線振后共振峰出現振幅升高、降低、左移、右移;④a-n曲線變得簡潔而平滑;⑤a-n曲線振后出現低幅振峰增值現象。

振動時效技術的發展方向和前景

　　目前，振動時效技術已在建筑、機械、裝備制造等領域得到了廣泛的應用。振動時效技術與自然時效和熱時效技術相比，具有低能耗、率、低成本、綠色環保等優點。隨著產品制造技術的發展，對構件性能的要求越來越高，新的時效工藝和理論也在相應地不斷發展。綜合當前的研究成果，振動時效技術仍存在以下問題值得深入研究探索：

　　1、應力調控的微觀作用機理

　　需要研究如何利用振動或蠕動的頻率、功率和時間去打破、消弱或增強晶格間約束力的機理，以及研究高能聲波在材料內部以強烈振幅傳播所造成的局部升溫對材料晶體原子克服位錯阻力做功的關系。終通過有效地控制晶格間的約束力和松弛狀態來實現有效調節和控制殘余應力。

　　2、振動時效效果檢測技術

　　參數曲線觀測法及精度穩定性檢測法均屬于定性檢測技術，難以獲得定量數據。殘余應力測量法雖然屬于定量檢測技術，但各種檢測方法均包含一定的缺點，檢測精度不高，誤差較大，特別是對于低幅值的殘余應力檢測能力不能滿足需求。

　　3、殘余應力調控閉環裝置的研發

　　在通過振動調控殘余應力的同時，實時檢測調控區域內的殘余應力，將殘余應力值作為反饋信號提供給調控系統，使得調控系統及時判斷下一步的調控指令，從而實現對構件的局部原位定量閉環調控。目前，國內外還沒有該類閉環裝置。該裝置的研發與生產將對機械制造工藝方案和在役構件的安全服役產生深遠影響，具有良好的應用前景。