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目前，我們對振動時效工藝的研究還處于較分散的狀態(tài)，主要是針對特定材料和特定結(jié)構(gòu)，對材料組織特征與時效效果之間的關(guān)系和規(guī)律研究較少。為了研究材料組織結(jié)構(gòu)對振動時效工藝的影響，選取兩種具有相似組織結(jié)構(gòu)的低碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)采用相同的工藝進(jìn)行了振動時效實驗。

實驗方法

以Q235與D36鋼的焊件作為本次實驗的試件，對這兩個試件分別進(jìn)行振動時效處理。用盲孔法測量試件振前振后的殘余應(yīng)力值，根據(jù)結(jié)果分析兩者振動時效效果的差別，討論材料性能對振動時效效果的影響。為了確保兩種材料試件試驗結(jié)果的可比性，試件的尺寸要相同，振動時效處理時參數(shù)也要相同。

試件情況

試驗中所用的材料為Q235和D36結(jié)構(gòu)鋼，試件加工成尺寸為200*1000mm的試板，開60°坡口，留3mm鈍邊。將兩塊試件焊接成一塊400*1000mm的長條形試件。焊接時采用焊條電弧焊。焊接時包括打底焊共四層，電流150-180A，電壓25V，封底焊時焊接速度為300mm/min，其他焊道240mm/min。

D36結(jié)構(gòu)鋼為低合金中高強(qiáng)度鋼，試件形式和尺寸與Q235試件相同，試件尺寸200*1000mm，開60°坡口，留3mm鈍邊，焊接方法與Q235相同。

振動時效工藝及殘余應(yīng)力測量

實驗使用設(shè)備為聚航科技生產(chǎn)的JH-700A智能頻譜交流振動時效設(shè)備，該設(shè)備采用高速變頻伺服電機(jī)，比傳統(tǒng)的直流電機(jī)壽命長、激振力大。有頻譜諧波分析技術(shù)，消除殘余應(yīng)力效果更好。

振動時效處理時激振器直接裝夾在試件端部，試件的四個角用橡膠墊支撐，壓電傳感器放在試件長度方向中間1/3區(qū)域內(nèi)的焊趾處。振動時效的參數(shù)包括振動頻率、振動幅度和振動時間。振動時效前，通過掃頻獲得構(gòu)件的頻率振幅曲線，并選擇頻率振幅曲線上*高峰對應(yīng)的頻率作為振動時效處理的頻率。調(diào)整激振器的檔位來調(diào)整激振力，觀察試件的振動狀態(tài)，實現(xiàn)試件振動平穩(wěn)的同時焊縫處的振幅較大就是激振器*佳檔位。為了保證兩組試驗的實驗條件相同，在對Q235試件和D36試件進(jìn)行振動時效試驗時，振動頻率選擇一階共振頻率，激振器的檔位為半檔，振動時間依據(jù)振動時效標(biāo)準(zhǔn)確定為30min。

采用盲孔法測量振動時效前后殘余應(yīng)力值，測量設(shè)備為JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，鉆孔直徑1.5mm，鉆孔深2mm。由于平板焊接構(gòu)件在試件中間1/3的區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力分布穩(wěn)定，測量時假設(shè)在試件中間1/3區(qū)域內(nèi)距焊縫距離相同的位置殘余應(yīng)力相同。測量殘余應(yīng)力時從焊趾開始垂直于焊縫方向逐漸遠(yuǎn)離焊縫，為了保證相鄰兩個測量點間不相互影響，相鄰兩個測量點的間距大于15mm。

振動時效結(jié)果與分析

從Q235試件振動時效前后殘余應(yīng)力測量結(jié)果可知，振動時效后，無論是垂直于焊縫還是平行于焊縫的方向，殘余應(yīng)力都出現(xiàn)了明顯的降低，橫向殘余應(yīng)力的降低幅度大于縱向殘余應(yīng)力的降低幅度。測量位置中殘余應(yīng)力*高的位置距離焊縫中心18mm處，其橫向殘余應(yīng)力降低72.38%，縱向殘余應(yīng)力降低20.72%。殘余應(yīng)力降低程度所表現(xiàn)出的規(guī)律是：橫向殘余應(yīng)力降低得較多的位置，縱向殘余應(yīng)力降低得較少。在距離焊縫中心28mm處，橫向殘余應(yīng)力從之前的148MPa轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。殘余應(yīng)力的*大降低量為180.6MPa，最小降低量為32.3MPa，殘余應(yīng)力的降低量遠(yuǎn)超過盲孔法測量殘余應(yīng)力的誤差。結(jié)果表明，振動時效會對Q235試件的殘余應(yīng)力有明顯的影響，使其整體降低，局部位置可以實現(xiàn)單方向殘余應(yīng)力的消除，將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

從D36試件振動時效前后殘余應(yīng)力測量結(jié)果中可見，焊趾處的殘余應(yīng)力*高，振動時效處理后，焊趾處的橫向殘余應(yīng)力略有升高，升高幅度為3.85%，縱向殘余應(yīng)力略有降低，降低幅度為0.2%。殘余應(yīng)力變化的*大值為40.2MPa，最小值為0.2MPa。若考慮到盲孔法測量殘余應(yīng)力的誤差，可以認(rèn)為在與Q235試件相同處理工藝的試驗條件，D36試件內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力幾乎不發(fā)生變化。

Q235與D36焊件的微觀組織

殘余應(yīng)力的測量位置為焊趾和母材，為了研究材料組織對振動時效消除殘余應(yīng)力效果的影響，對比分析Q235與D36焊接試件在焊趾及母材的微觀組織形貌。兩種材料都是由鐵素體與珠光體組成，鐵素體均為粒狀，少部分珠光體為粒狀，大部分的珠光體呈帶狀。D36珠光體晶粒的尺寸與鐵素體晶粒的尺寸相當(dāng)；而Q235母材中珠光體晶粒比鐵素體晶粒尺寸小。兩種材料的晶粒尺寸相比，D36母材的晶粒尺寸更小。

焊趾部位通常是殘余應(yīng)力較高的部位，焊趾部位對應(yīng)于試件熱影響區(qū)中的過熱區(qū)部位。從組織圖可知，在宏觀金相觀察中，根據(jù)顏色和形狀的不同，可觀察到明顯的熔合線。焊縫側(cè)為放射狀的柱狀晶，熱影響區(qū)靠近焊縫的部位為過熱區(qū)粗晶區(qū)。Q235的過熱區(qū)內(nèi)為由白色針狀鐵素體形成的魏氏組織和快狀的鐵素體，晶內(nèi)由珠光體和少量的粒狀貝氏體組成，晶內(nèi)可以看見少量的細(xì)針狀鐵素體與小塊的鐵素體，珠光體的含量明顯多于母材中組織中珠光體的含量。D36焊件焊趾部位的組織為過熱區(qū)粗晶組織，由粒狀貝氏體和少量的珠光體組成。D36焊件焊趾部位組織晶粒尺寸明顯小于Q235焊件焊趾部位晶粒的尺寸。

對比與分析

振動時效降低殘余應(yīng)力的機(jī)理主要有兩種：一種理論認(rèn)為在振動過程中，外加的動應(yīng)力與試件內(nèi)部的殘余應(yīng)力相迭加超過材料的屈服強(qiáng)度后，應(yīng)力集中部位發(fā)生塑性變形，從而釋放殘余應(yīng)力；另一種理論從位錯的角度解釋，認(rèn)為振動過程中的微觀塑性變形是位錯運(yùn)動的結(jié)果。因此，振動時效的機(jī)理為振動會導(dǎo)致材料內(nèi)部較高殘余應(yīng)力位置的位錯啟動，在材料內(nèi)部的位錯的增值與相互纏結(jié)的過程中殘余應(yīng)力得到釋放。Q235焊件振動時效效果好，在焊接殘余應(yīng)力較高部位更容易發(fā)生塑性變形，或該位置位錯更容易發(fā)生移動。

Q235與D36結(jié)構(gòu)鋼均屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含碳量均小于0.3%，屬于低碳鋼的范疇，兩者的主要成分相似，母材的微觀組織相同，由粒狀鐵素體和帶狀的珠光體組成。熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織相似，主要由貝氏體和珠光體組成，但組織的形狀明顯不同。兩種焊件母材與焊趾部位組織差異主要表現(xiàn)為兩個方面：

1. 相的比例。Q235焊件熱影響區(qū)過熱區(qū)和母材區(qū)中珠光體的含量高于D36焊件。

2. 晶粒的尺寸與形狀。D36焊件無論是母材還是熱影響區(qū)的過熱區(qū)晶粒的尺寸都明顯小于Q235。

鐵素體與純鐵的晶格結(jié)構(gòu)相同，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較低，具有良好的塑性和韌性；珠光體的塑韌性較好，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鐵素體，鐵素體比珠光體更容易發(fā)生塑性變形。Q235焊件高應(yīng)力區(qū)內(nèi)珠光體含量較高，不易發(fā)生塑性變形。按照傳統(tǒng)的振動時效理論，應(yīng)當(dāng)較難在振動中釋放應(yīng)力，但是在本實驗中，Q235焊縫的振動時效效果卻較好。因此可以判斷珠光體與鐵素體的比例不是影響殘余應(yīng)力消除效果的主要原因。

無論是母材還是焊趾部位，D36的晶粒都明顯小于Q235的晶粒。根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化理論，當(dāng)晶粒較細(xì)時，較多的晶界不僅會阻礙滑移提高屈服強(qiáng)度，還會給位錯的啟動和運(yùn)動增加更多的能量。因此，在較細(xì)晶粒的D36試件中，位錯更難啟動，位錯運(yùn)動的阻力也更大，使得振動時效過程中位錯變化較少，因而振動消除殘余應(yīng)力的效果較差。因此晶粒尺寸的不同是Q235焊件與D36焊件振動時效效果差異的主要原因。

結(jié)論

1. 在相同的振動時效處理條件下，Q235焊件焊接殘余應(yīng)力的降低幅度遠(yuǎn)大于D36。Q235焊件振動時效后，焊接殘余應(yīng)力的*大降低量為180.6MPa，與振動時效前相比，*大變化幅度為122.02%；D36焊件振動時效后，焊接殘余應(yīng)力的*大降低量為12MPa，*大變化幅度為24.24%。

2. Q235與D36焊件焊趾部位組織的主要區(qū)別在于不同的比例和晶粒尺寸的差異，D36焊件焊趾部位珠光體含量較少，且晶粒較細(xì)。

3. 焊縫熱影響區(qū)的晶粒尺寸是決定振動消除應(yīng)力效果的主要因素。晶粒越小，晶界越多，振動過程中位錯運(yùn)動的開啟與位錯的運(yùn)動所需要的能量越大，使振動消除殘余應(yīng)力產(chǎn)生效果所需的能量越大，晶粒越細(xì)小的試件，振動時效越難產(chǎn)生效果。