振動時效技術研究進展

劉春澤，楊雪梅，周紅生，高琦，許小芳

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振動時效技術研究進展

劉春澤1，楊雪梅2，周紅生1，高琦1，許小芳1

(1. 中國科學院聲學研究所東海研究站，上海201815； 2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

振動時效技術以低能耗、低成本、高效率、高環保等優點，已成為降低構件殘余應力的標準工藝。介紹了振動時效技術降低殘余應力的宏觀及微觀機理；針對基于振動時效原理衍生了頻譜諧波時效技術，高頻微觀激振時效技術和超聲振動時效技術，分析了各自的技術特點和國內外研究現狀；介紹了無損檢測方法在振動時效效果評估的技術特點和應用；總結振動時效技術的發展概況，提出今后的發展趨勢和研究方向。

振動時效；殘余應力；X射線衍射；超聲波

0 引言

在對材料進行機械或熱加工的過程中，由于不同部位受力或受熱程度不同，不均勻的塑性變形(包括由溫度等引起的不均勻體積變化)致使材料內部在產生應力的各種因素不存在時(如外力去除，溫度已均勻等)，依然存在并且自身保持平衡的彈性應力，即殘余應力[1]。殘余應力在材料學研究和工程實踐中是一個廣泛而重要的問題，其對材料的影響可分為兩方面：殘余應力的存在對材料的疲勞強度及尺寸穩定性等均造成不利影響，同時，出于改善材料性能的目的，在材料表面還要人為地引入壓應力。在材料構件加工制造的過程中，不可避免地在部件內部產生殘余應力，因此將其去除或加以松弛，并進一步通過再分布加以調整是很有必要的。

為降低和調整殘余應力，通常應采用時效技術。按照方式的不同，可分為自然時效(Natural Stress Relief，NSR)、熱時效(Thermal Stress Relief，TSR)[2]以及振動時效(Vibration Stress Relief，VSR)[3]技術。其中NSR是把構件在自然條件下放置較長一段時間，以使殘余應力逐漸松弛。自然時效法對構件的尺寸穩定性較好，方法簡單易行，但生產周期長、效率低，不能適應現代加工技術的需要。TSR是通過對構件進行一定溫度的熱處理以降低材料的屈服極限，從而在高溫下較快地完成塑性變形來釋放殘余應力[4-5]。目前TSR方法已在工業上獲得廣泛應用，在合理的工藝下，能夠獲得很好的時效效果。但是該技術也存在一定的局限性，熱處理設備費用較高，特別是對于大型、結構復雜的構件，需要建立大空間的熱處理裝置，對能源消耗大，且熱處理過程對環境有一定污染。另外，構件可能出現熱處理變形的問題，同時也可能引入新的殘余應力[6-10]，降低了熱時效處理效果。

將構件在交變外力作用下進行一定時間的共振，以降低其殘余應力的一種時效方法[11-12]，即振動時效技術。與傳統熱時效技術相比，其操作時間短，僅需幾十分鐘，而熱時效至少需要一天；設備簡單易于搬動，實施環境條件靈活；成本低，可節省費用90%以上，特別是不需建造大型窯爐；殘余應力降低效果好；節能環保，可節省能源90%以上。目前振動時效技術已部分取代熱時效，其應用領域已覆蓋金屬構件制造、焊接、鑄造等[13-16]，成為許多國家制造機械構件時必須使用的工藝。近年來，隨著技術不斷進步，振動時效機理和技術手段不斷進步，已研究開發了多種基于不同原理和特殊應用的振動時效工藝，有力地推動了振動時效技術的發展、應用與推廣。

1 振動時效技術

1.1 振動時效技術機理

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[17]。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。

圖1 等幅循環應變下的應力應變曲線

要消除或減小工件中的殘余應力，必須滿足以下條件：

(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限時，構件內的將達到平衡，使構件尺寸穩定性得到提高。

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。

1.2 振動時效技術研究進展

1.2.1 頻譜諧波時效技術

頻譜諧波時效技術[18]與傳統振動時效技術最大的區別在于振動頻率尋找方式的不同。

傳統振動時效技術首先通過激振電機以不同的頻率激振，經過頻率掃描，尋找振幅較大的頻率點，作為共振頻率，并以此頻率進行激振。頻譜諧波時效技術是通過傅里葉頻譜分析方法，可一次分析獲得構件的多個諧振頻率，再進行選擇某幾個頻率點進行振動時效處理。頻譜諧波時效技術具有明顯的優勢：用頻譜分析來確定共振峰值，極大地縮短了尋找時間；可自動制定工藝，與掃頻方式相比，處理方法程序簡單，時效效果穩定；可選擇多振型處理，適用于復雜工件的殘余應力處理。

頻譜諧波時效技術目前仍是相關研究的熱點之一，針對各類不同尺寸、類型的構件發展了多種工藝。楊蔚等[19]采用頻譜諧波時效法和超聲沖擊處理法對鋁合金型材焊接件進行了消除殘余應力聯合處理實驗，測定了接頭處接近焊縫區的殘余應力(見表1)。由表1可見，經頻譜諧波處理后的接頭整體殘余應力下降33.7%，再經過超聲沖擊處理后，使殘余應力下降58.9%，且總體殘余應力下降到70 MPa以下，顯著提高了接頭的力學性能。

表1 頻譜諧波及超聲沖擊前后殘余應力及其下降率[19]

趙長喜等[20]通過理論和實驗對比研究了熱時效和頻譜諧波時效技術。實驗表明，頻譜諧波技術相對熱處理時效技術具有很大優勢，特別是對大尺寸、高強度、復雜結構的特殊構件(見圖2)，優勢更加明顯，在航天器制造中具有很高的應用價值。

圖2 頻譜諧波時效消除應力處理的大型框類薄壁工件[20]

李云等[21]研究了降低LC52熱處理時效的強化鋁合金焊接構件殘余應力的技術，分別對三種不同時效工藝進行了比較，發現合理的振動時效工藝是降低焊接殘余應力的一種較理想的方法。利用ZSX-05振動時效設備對鋁合金結構件(管箱體)進行處理，分別對振動前后構件上不同位置的殘余應力變化進行測量(見圖3)，焊接殘余應力降低率可以達到40%以上。

頻譜諧波時效技術在有效地降低和調整殘余應力的同時，也存在一定的不足：構件的宏觀變形較大，易造成疲勞損傷；振源由電機驅動，激振頻率低，難以達到小尺寸構件的諧振頻率，達不到理想的時效作用效果。因此，采用較高的頻率進行激振成為振動時效技術的研究熱點之一。

1.2.2 高頻激振時效技術

一般的振動時效激振頻率在200 Hz以內，常規振動時效的振幅較高，常常會導致被處理工件疲勞損傷。高頻微觀激振時效是以高頻機械振動信號(頻率大于1 kHz)對構件進行激勵，使組成構件的晶粒在高頻振動中獲得更高能量以發生塑性變形，以達到降低或調整殘余應力的效果。高頻激振時效可在小振幅下實現共振，不易導致構件破壞與損傷；裝置體積較小，可使小型構件實現共振，同樣也可以處理大型構件的微小結構，與低頻振動時效相比，其應用范圍得到了拓展。

圖3 振動時效處理后殘余應力變化曲線[21]

文獻[22~25]中就高頻激振時效技術開展了一系列的研究，設計并制作了實驗型的高頻振動時效裝置(見圖4)，驗證了高頻激振理論的有效性。高頻振動前后材料的金相照片顯示，經高頻激振后，構件內部的結構向無應力方向恢復(見圖5)。由于高頻振動振幅較低，被處理構件不易產生疲勞損傷，減少了微觀缺陷的產生。

1.2.3 超聲振動時效

超聲振動時效技術[26]，又稱超聲沖擊處理技術(Ultrasonic Impact Treatment，UIT)，其核心在于采用超聲換能器進行激振，可以獲得遠高于其他振動時效技術的激振頻率，可進一步降低激振振幅，使構件表面殘余應力得到釋放的同時，不易導致構件疲勞損傷。

超聲激振的機理與傳統的低頻激振振動機理有所不同[27-28]。低頻振動消除殘余應力是通過掃頻以確定其共振頻率，并采用共振頻率進行一定時間的振動，激振力做的功大部分以熱能形式消耗，構件獲得的激振動應力較小。而超聲振動時效處理時的激振頻率遠高于低頻振動的共振頻率，構件所獲得的振動能量遠大于晶粒間的激活能，在劇烈振動中，發生微觀彈性變形的晶粒能夠獲得足夠擺脫周圍晶粒的束縛的能量“勢壘”，使晶粒能量進入較低的狀態，以降低殘余應力。

(a) 振動前

(b) 振動后

圖5 高頻振動前后試件金相照片[22]

Fig.5 Metallographs of samples before and after high frequency VSR[22]

超聲時效技術最大的特點在于輸入振動頻率高，高振動能量不僅使殘余應力得到降低，還能使構件結構得到強化。其優勢表現在以下幾方面：可將內殘余應力由拉應力轉化為壓應力，改變應力性質，以抑制時效部位裂紋的產生與擴展，使結構穩定性增強[29-30]；細化晶粒，提升力學性能，同樣宏觀變形小、尺寸穩定性高；超聲頻率高于人耳的聽覺上限，操作過程中噪聲污染低，對人體的不良影響小。超聲時效裝置結構形式多樣，尺寸小，便于現場操作，對大尺寸構件的局部關鍵位置進行時效處理，具有十分突出的應用優勢[31-32]。

眾多文獻研究表明，超聲時效處理具有重要的研究價值，杜立群[33-36]等利用超聲時效技術減小聚合物SU-8光刻膠的內應力，討論了其機理；以基片曲率法為基礎，通過改進的Stoney公式，建立了基底曲率變化與薄膜應力關系的計算模型，并采用輪廓法測量SU-8膠層內應力；實驗研究了超聲時效技術在減小聚合物SU-8膠層內應力方面的作用；對比分析了超聲時效實驗前、后SU-8膠層的內應力值。圖6分別為以輪廓儀測量未鍍膜、未經超聲時效處理、超聲時效處理后的薄膜表面輪廓。受薄膜應力作用，表面曲率發生明顯變化。實驗結果顯示，在超聲時效10 min時，聚合物SU-8膠內應力減小2 MPa，消除率約為23.17％．這表明，超聲時效技術對SU-8膠薄膜的內應力可以起到有效降低的作用。

(a) 未鍍膜硅片表面輪廓

(b) 鍍膜后的SU-8膠表面輪廓

(c) 超聲時效后的SU-8膠表面輪廓

Amir Abdullah[37]等采用超聲沖擊法改善焊接接頭的結構以提高疲勞強度(見圖7)，降低應力幅度，并且能消除拉伸應力，壓縮應力，促進裂紋愈合。這項技術能夠處理熱時效方法不能處理的大型構件，使構件獲得了較好的機械性能和耐腐蝕性能。

圖7 超聲沖擊法實驗機構[37]

2 振動時效評價檢測方法

經振動時效處理過的構件，需通過一定的評價方法以表征其時效效果，具體指對殘余應力的降低、調控，構件抗變形能力的提高以及尺寸精度的提高等[38]。現階段，振動時效技術的理論基礎仍有待進一步研究，其效果難以精確測定，且沒有統一的標準。目前，已有參數曲線觀測法、精度穩定性檢測法和殘余應力測量法用于時效效果的評定。

2.1 參數曲線觀測法

當構件中存在的殘余應力幅值或分布發生改變時，其自身振動狀態將隨之變化，因此通過測量振動時效過程中的實時振幅-時間曲線的變化及振幅-頻率曲線振動前后的變化可以定性評估振動時效的效果。振動參數曲線可能發生的變化為：(a) 振幅時間(-)曲線上升后變平或曲線上升后下降最后變平；(b) 振幅頻率(-)曲線振后的峰值升高；(c) 振幅頻率(-)曲線振后的峰值點偏移；(d) 振幅頻率(-)曲線振后的諧振帶寬變窄[39-40]。當出現如圖8所示的四種情況之一，并且振動時效后幅頻曲線形貌較振前簡潔且光滑時，即可定性判定為達到了振動時效效果。

(a) 振幅時間 (b) 振幅頻率

(c) 振幅頻率 (c) 振幅頻率

圖8 振動參數曲線[39]

Fig.8 Curves of vibration parameters[39]

2.2 精度穩定性檢測法

由于振動時效后殘余應力重新分布，導致宏觀尺寸發生變化，通過檢驗振動時效前后工件尺寸精度的穩定性來確定時效效果。通常需要長期放置并定期進行檢測，且檢測儀器要求精度較高以準確監測到宏觀尺寸的微小變化，該方法效率較低，不適合大規模采用。

2.3 殘余應力測試法

直接測試測量構件殘余應力在振動前后的變化情況，是評估振動時效效果的方法之一[41]。這種方法可以定量判斷殘余應力的消除情況，能夠定量檢測超聲振動時效的效果。殘余應力檢測方法可分為有損檢測法和無損檢測法。

2.3.1 有損檢測方法

有損檢測的測量原理是通過材料移除過程中完全或部分釋放應力時產生的位移來推斷出原始應力，這類方法依賴于變形量的測量，而變形量是由于材料在移除試樣的過程中導致殘余應力的釋放形成的。常見的檢測手段有切片法、輪廓法、盲孔法、環芯法和深孔法等，其他不常用的還包括切除法[42]、分裂法[43-44]、曲率法[45]、剝層應變法[46]、開槽法[47]等。由于有損檢測方法會對構件造成一定程度的損傷，通常適用于做小批量的實驗，不適于大規模的工業應用。

2.3.2 無損檢測方法

X射線衍射法：該方法是目前最常用的殘余應力無損檢測方法[48]，測定的是表面10 μm左右的表面應力。其基本原理是通過測量晶格的應變情況來計算應力，晶格應變可通過X射線衍射法檢測[49-50]。X射線衍射法檢測區域僅限于材料表面和亞表面的晶格結構，檢測時要求對材料表面進行化學清洗使晶體裸露出來，檢測結果的準確性受晶粒尺寸、表面粗糙度和表面曲率等因素的影響較大，也受到儀器設備體積重量的制約和操作復雜性的限制[51]。

中子衍射法：檢測原理與X射線法相似[52]，不同的是中子具有很強的穿透能力，因此可以檢測較大固體材料內部的殘余應力。但是中子源的流強較弱，測量時間長，中子衍射測量需要樣品的體積大，空間分辨率較差(通常中子法分辨率為10 mm2，X射線分辨率為0.1 mm2)[53-54]，中子反應堆建造和運行費用昂貴，很難普及，無法在工業現場實時大規模測量[55]。

磁性法：又稱為巴克豪森噪聲法(Barkhausen Noise Method，BNM)，當鐵磁材料受到外界激勵磁場作用后，磁疇壁將被迫發生前后移動，導致相對另一側的磁疇壁尺寸的變化，并引起磁感應強度的變化。通過電磁感應原理測量磁感應強度的變化可獲得一種類似噪聲的電信號，即巴克豪森噪聲(BN)。材料應力和磁場的變化都會影響BN值[56]。如果在磁疇中應力和磁場產生同向的效應，BN值將增大；如果在磁疇中應力和磁場產生相反的效應，BN值將會減小，導致較大的測量誤差。BN值的大小與雜質含量和晶格位錯等有關，這種方法只適用于鐵磁材料，檢測精度受材料顯微結構的影響較大[57]，還受位移間隙、表面粗糙度、材料剩磁和環境磁場等因素的影響，目前定量校準和殘余應力量化檢測困難，實際現場應用也受到一定限制。

渦流檢測法：該技術建立在電磁感應原理基礎上[58]。在檢測時，將接通有交流電的線圈靠近被測金屬，通過電磁感應作用，交流線圈產生的交變磁場在被測金屬內建立渦流，該渦流也會在被測金屬內部產生自己的磁場，該渦流磁場反過來影響線圈的電壓、阻抗以及磁場強弱。由此可見，渦流檢測技術主要是根據材料形變、電阻率和磁導率等的變化進行測試。殘余應力的存在會導致被測件電阻率、磁導率發生改變[59-60]。用渦流檢測殘余應力目前還處于不成熟階段，一般只見于實驗室環境下，且只能檢測能夠產生渦流效應的導電導磁材料，適用范圍窄，受外界環境影響較大，檢測精度較低。

拉曼光譜法：利用拉曼散射原理，當材料受到應力作用時，晶格結構的變化將反映到其振動頻率的改變，因此拉曼散射相對入射光的頻移也將相應改變，根據應力與散射光拉曼光譜譜線的頻移的關系就可計算晶體內部所受的應力[61]。

超聲法[3]：超聲法檢測殘余應力是根據聲彈性理論，當材料內部產生殘余應力時，超聲波的傳播速度、頻率、振幅、相位和能量等參量將發生變化，相比其它殘余應力無損檢測方法，超聲波法具有檢測速度快，對人體無輻射傷害，成本低，擁有較佳的空間分辨率和較大范圍的檢測深度，可現場手持便于攜帶，能夠完成表面及次表面宏觀殘余應力大小與拉壓狀態的檢測等諸多優勢[62-63]。

3 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、高效率、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。最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精確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。

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Review of vibration stress relief technology

LIU Chun-ze1, YANG Xue-mei2, Zhou Hong-sheng1, GAO Qi1, XU Xiao-fang1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 201815, China;2. Institute of Chemical Materials,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, Sichuan, China)

Vibration stress relief (VSR) technology has become the standard technology to reduce the residual stress of the components, which shows the advantages of low energy consumption, low cost, high efficiency and so on. In this paper, the macro and micro mechanisms of vibration stress relief technology are introduced. Review and technical features of harmonic frequency spectrum VSR, high frequency VSR and ultrasonic VSR are presented. Evaluation of the effect of VSR via nondestructive method is introduced. The development of VSR is summarized, and the future development trend and research direction are put forward.

vibration stress relief, Residual stress, X-ray diffraction, Ultrasonic

TB 53

A

1000-3630(2017)-01-0042-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.01.009

2016-12-05;

2017-02-05

國家自然科學基金項目(11574348、11474042、11604365)

劉春澤(1982－), 男, 黑龍江明水人, 博士, 副研究員, 研究方向為工業超聲。

周紅生, Email: zhs999@126.com。