殘余應(yīng)力數(shù)值模擬中的難題
振動時效是我國上世紀八十年代從國外引進的一種殘余應(yīng)力消除技術(shù)，名詞譯自英語Vibrating Stress Relief，即振動應(yīng)力消除。從力學(xué)機理上分析，振動時效消除殘余應(yīng)力的原理是，使工件發(fā)生共振或接近共振，其殘余應(yīng)力疊加振動應(yīng)力大于材料的屈服極限，這樣振動時由于材料進入塑性區(qū)引起工件上應(yīng)力重新分布，從而達到消除殘余應(yīng)力的目的。
鄭州機械研究所應(yīng)力測試技術(shù)中心，作為國內(nèi)機械行業(yè)的應(yīng)力測試單位，做了大量的振動時效應(yīng)力消除試驗，得出以下幾點結(jié)論。
1、對于低水平殘余應(yīng)力工件振動時效效果不理想
對于低水平殘余應(yīng)力工件，比如沒有大應(yīng)力集中的鑄件，由于振動時效時材料大部分沒有進入塑性區(qū)，而在彈性范圍內(nèi)，無論應(yīng)力如何變化，終都恢復(fù)原始狀態(tài)，不會消除殘余應(yīng)力，與理論分析相符。
2、殘余應(yīng)力消除效果沒有標準規(guī)定的指標大
振動時效標準JB/T 5926-2005《振動時效效果評定方法》規(guī)定，焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力消除應(yīng)達30％以上。實際測量表明，這是一種誤區(qū)，比如，我們對一個16Mn焊接構(gòu)件進行振動時效應(yīng)力消除效果測試。振動時效前，測得焊縫附近大殘余應(yīng)力500 MPa，振動時效后測得300 MPa。廠家非常高興，認為效果非常好，消除達40%，遠遠大于振動時效標準規(guī)定的指標。然而，16Mn的屈服極限是300 MPa左右，如果認為材料是理想塑性的，16Mn焊接構(gòu)件上的殘余應(yīng)力都不會大于300 MPa，與振動時效后的測量值一樣。其實，振動時效前測得的500 MPa是按殘余應(yīng)力彈性理論計算公式計算出來的，而材料進入塑性區(qū)時，其實際殘余應(yīng)力肯定小于500 MPa。如果按理想塑性計算，殘余應(yīng)力沒有下降，當然這是情況，意在說明振動時效的殘余應(yīng)力消除效果不能以彈性理論計算的結(jié)果為依據(jù)。根據(jù)大量試驗結(jié)果，我們認為，對于焊接構(gòu)件，振動時效的殘余應(yīng)力消除效果應(yīng)在15%左右。
3、振動時效對消除構(gòu)件的塑性應(yīng)變效果非常好
上述例子也說明，雖然振動時效消除殘余應(yīng)力的效果達不到40%，但塑性釋放應(yīng)變確實下降了40%，所以振動時效對消除構(gòu)件的塑性應(yīng)變效果非常好。大量試驗證明，對于焊接構(gòu)件，振動時效的塑性應(yīng)變消除效果達40%左右，甚至達50%以上。塑性應(yīng)變涉及到構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性，所以經(jīng)過振動時效的構(gòu)件，尺寸穩(wěn)定性特別好，即以后放置或再加工時構(gòu)件不再變形。
綜上所述，振動時效適合于對殘余應(yīng)力要求不嚴但對尺寸穩(wěn)定性要求較高的焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力消除。畢竟與熱時效相比，振動時效非常節(jié)約能源，不需要建大的退火爐，大大節(jié)省了經(jīng)費。所以對殘余應(yīng)力要求不嚴的工件，能用振動時效處理的盡量用振動時效。必須指出，振動時效不適合于對殘余應(yīng)力要求較高的壓力容器的殘余應(yīng)力消除。
