振動時效對結構件材料表面完整性的影響*

高自成， 余 田， 廖 凱， 閔淑輝， 李立君， 湯小紅

(中南林業科技大學機電工程學院 長沙，410004)

引 言

現代機械制造業的發展使得零件逐步小型化、精密化，對小型零件尺寸穩定性要求越來越高[1]。7075高強度鋁合金薄壁框架件具有比強度高、相對重量輕等特點，滿足了現代航空追求輕量化和整體化的需求，但由于其本身材料特性、結構特點以及生產加工過程中帶來的殘余應力，使得其形狀具有不穩定性[2-3]。振動時效(VSR)在松弛殘余應力方面具有高效、節能、環保及適應性強等優點，在機械零配件生產及加工過程中逐步取代以往的時效方式，優化零件力學性能[4-6]。振動時效處理焊接件應力集中區域效果極好[7-10]，但由于小型結構件質量小，固有頻率高，傳統的振動方法效率低，甚至會破壞構件尺寸。因此，可采用振動平臺集中處理法，即將多個結構件裝夾在振動平臺上，利用平臺低頻共振時產生的激振能傳遞到構件表面，在不破壞零件形狀的基礎上實現殘余應力釋放。

目前，振動時效研究集中在焊接件或大型結構件。Walker等[11]對冷軋鋼的VSR處理建立了數學模型，并且實驗證明VSR降低殘余應力峰值達到了40%，進而提出了應力釋放過程是一種微觀的位錯運動。國內外學者[12-14]也都從位錯角度對振動時效的機理進行分析，筆者擬結合位錯理論從材料的晶粒形貌角度探討應力釋放原理?，F在對于鋁合金材料的振動時效研究也有一些成果，Wang等[15]發現AA6061鋁合金板材在懸臂梁式振動時效下不同位置的應力松弛效果不同，對鋁合金厚板進行VSR后發現板內應力得到均化[16]，板形較之前更加穩定。李亞非等[17]實驗證明了70A4鋁合金鍛件在VSR處理后最高的應力釋放率接近于熱時效，并指出采用振動平臺對中小型工件進行振動時效處理時，應力去除效果與工件的裝夾位置有關。此外，很多學者也開始引入計算機仿真軟件對VSR進行數值模擬和實驗參考，例如Chen 等[18]采用ANSYS對石英撓性加速器計的焊接過程進行熱分析后發現，振動可以降低殘余焊接應力，而且共振頻率下的效果更好。蔡敢為等[19]對內燃機曲軸進行數值分析，結果表明，在激振頻率范圍內曲軸達到共振進而消減殘余應力。筆者基于7075鋁合金薄壁框架件的振動時效實驗，結合X射線(X-ray diffraction，簡稱XRD)應力測試技術、EBSD和硬度測試，探究振動平臺對結構件材料表面完整性——表面應力、硬度和微觀組織的影響。

1 實 驗

1.1 材料與試樣

實驗采用7075-T651鋁合金厚板，經四軸加工中心制成3塊尺寸為500 mm×108 mm×60 mm的一口型薄壁件，底部厚度為6 mm，壁厚為2 mm。銑削加工后對試樣進行噴丸處理，強化表面應力的同時使得應力分布均勻，后期數據對比更加鮮明。噴丸設備為ST-1960空氣噴丸機，根據航空零件噴丸強化標準，磨料選用粒度直徑為0.3 mm的鋼丸顆粒，以0.3 MPa的噴射強度噴3塊薄壁件，垂直試樣噴射距離為50 mm，噴口直徑為5 mm，表面覆蓋率為100%[20-21]。

1.2 振前分析

平臺式振動時效是指平臺在激振器的持續激勵下與裝夾結構件一起達到共振，產生激振能施加在構件表面，同時避免對構件產生損傷。實驗所用振動平臺為HT250，尺寸為1 800 mm×800 mm×70 mm，質量約為1 000 kg，對稱4支點高強度彈簧支撐，支座彈簧剛度為6×106N/mm，支撐處對稱布局為1 500 mm×500 mm。

利用ANSYS軟件對HT250實驗平臺進行支撐約束狀態下模態分析。平臺和彈簧分別采用SOLID185單元和COMBIN14單元，材料屬性如下：ρ=7 000 kg/m3；E=150 GPa；ν=0.3。通過Mesh模塊對模型進行高精度六面體劃分，單元格尺寸為30 mm，節點總數為7 196個，單元數為5 128個。

數值模態分析求解器采用Block Lanczos，得到平臺的固有頻率與振型之間的關系，如表1所示。其第7階振型明顯比其他頻率達到了更大振幅，同時采用了現場實驗聚沙法驗證了散布在平臺上的細砂在此激振頻率下聚集到零振幅位置，可判斷激振頻率約為110 Hz，平臺可實現預定的亞共振。圖1為第7階振型圖。

表1 模態分析結果Tab.1 Modal analysis results

圖1 平臺第7階模態振型圖Fig.1 7th modal shape of platform

由圖1可以看出，平臺關于中間位置兩邊對稱，考慮到激振力分布效果，可選擇將激振器安裝于平臺中間位置。分別將3個試樣框架件裝夾于圖1所示的中間位置、零振幅位置和最大振幅位置(分別命名為1，2，3號件)，如圖2所示。試樣均以寬度方向中線對稱，分別觀察其時效效果。

圖2 VSR實驗Fig.2 VSR experiment

1.3 振動方式

實驗按照模態分析找到對應中間、零振幅和最大振幅位置，為防止實驗中試樣表面遭到破壞影響數據采集，用軟布包裹后再用夾具固定框架件，安裝方式見圖2。激振設備為HK2000K1型全自動振動時效儀，偏心轉子式激振器置于平臺中部。根據前期工作結果和振動時效工藝標準[22-23]，選擇激振時間為20 min。激振后儀器自動掃頻，尋找到平臺亞共振區112 Hz進行激振。

1.4 試樣測試

為了得到振動時效的應力釋放情況，對框架件實驗前后進行X射線衍射應力測試[24]，其精度為±20 MPa。靶材為Cr-kα靶，X射線的波長為2.291×10-10m，管電壓為20 kV，管電流為4 mA，衍射晶面為156°，采用高斯函數法定峰，準直管尺寸為2 mm。X射線彈性常數為S2/2(18.56 ×10-6)，ψ取14個角度。雙探測器衍射角掃描速度為2 (°)/min，步長為0.01 °，測得7075鋁合金(311)晶面衍射角2θ隨ψ角變化時的變化值，測試現場如圖3(a)所示。由仿真模態振型可知，寬度方向上分布的激振能是相同的，所以測試點沿長度方向上取一側即可，沿試樣長度方向布置12個測試點，分布如圖3(b)所示。

圖3 XRD應力測試Fig.3 XRD stress test

電鏡分析采用配備EBSD探頭的EVO MA10掃描電子顯微鏡，研究鋁合金的晶粒形貌變化。試樣由線切割截取，表面經過粗磨、細磨和機械拋光。試樣在測試前進行電解拋光，拋光溶液用10 %高氯酸和90 %無水乙醇制成，電壓為18 V，拋光時間為20 s[25]。使用HV-5型維式硬度計對VSR實驗前后鋁合金薄壁框架件的表面進行硬度測試。

2 表面完整性分析

2.1 表面應力釋放

當材料的殘余應力σr和動應力σd疊加之和大于屈服極限σs，才能使該處應力消減，即

σr+σd>σs

材料在表面的屈服應力極限σs相對基體內要低很多，這為平臺式振動時效釋放表面應力提供了可能。VSR前，薄壁件經過100%表面噴丸覆蓋，以保證其表面應力分布均勻性較好，其應力強度為-340±10 MPa。試樣VSR后，將XRD應力測試的結果以云圖描述，如圖4所示。結果顯示，每個框架件應力釋放都存在著不均勻的現象。

圖4 VSR后應力松弛情況Fig.4 Stress relaxation after VSR

實驗后1號件的應力釋放達到最大，從-340 MPa降至-248 MPa，應力釋放率為17%～27%；3號件應力釋放效果次之，且表面應力分布更加均勻，時效后應力值處于262～270 MPa之內，釋放率約為22%；2號件應力釋放效果最小，最大處釋放到-282 MPa，釋放率為11%～17%。

模態分析顯示在112 Hz的激振頻率下，振動平臺達到了共振，并呈正弦波式振形，結合VSR時效和XRD應力分布特點可得以下結論：①激振能量可以有效地作用到試樣上，滿足了小試樣獲得大動能的需要；②構件表面在時效交變應力作用下達到了微觀屈服，促成表面應力釋放；③平臺諧波振型表明了動應力分布的不均勻性，應力釋放效果與時效位置、激振能分布有關。實驗結果表明，處于振幅較大位置的1號件和3號件應力釋放效果明顯優于零振幅位置的2號件，但零振幅位置時效后表面應力釋放更加均勻，工程應用中可根據需要選擇時效位置。

2.2 微觀分析

宏觀上材料殘余應力和振動時效交變應力疊加超過了屈服極限，產生了塑性變形，釋放了殘余應力。塑性變形表明材料表面組織也會存在微觀形變，運用位錯理論可知其主要因素是晶界處位錯塞積纏結導致。為更深入地研究晶粒內部的變化，取母材以及時效后試樣的表面中心區域進行EBSD分析。

圖5為母材和時效后材料的取向成像圖(反極圖)，不僅包含晶界和亞晶界信息，也反映了晶粒取向變化，其中不同顏色代表著不同的晶粒取向。晶體形貌上可以看出母材的平均晶粒尺寸較小，細小的扁平狀晶粒均勻分布并且無明顯的擇優取向。在細長晶粒的內部，有許多亞晶粒邊界。對比經過振動時效的晶體形貌，發現晶粒有著顯著的成長趨勢，并且晶粒內部的襯度發生變化。大量的顏色漸變區出現，表明晶粒取向發生了變化，已完成塑性滑移，進而大角度晶界(>10°)的組分增加。從小角度晶界(2～10°)向大角度晶界的轉變過程，也就是能量釋放的過程，同時伴隨著新的形核增加。

圖5 取向成像圖Fig.5 Inverse pole figure

振動時效過程中的交變應力能量累積到足夠多時，晶粒內部就開始滑移變形，初步形成了內部取向的漸變區。隨著變形量的進一步增大，晶粒內部滑移變形將帶動整個晶粒沿著拉伸方向產生塑性變形，晶粒的變形也將帶來晶界上位錯的增殖和堵塞。塑性變形到一定程度，將觸發整個晶粒發生形變以適應外界的宏觀應力作用，由此導致晶粒被拉伸長大，晶界上塞積增多。當晶粒成長釋放的能量以及位錯上復雜的應力場交互作用超過了材料的屈服強度時，材料形成屈服并通過晶粒一個個傳遞開，達到了整體上的表面應力釋放。

對時效前后的再結晶晶粒、亞結晶晶粒和變形晶粒進行量化分析，統計其百分含量，數據顯示如圖6所示。對比母材，經過時效后的材料表面再結晶體積從9.5%上升到18.7%，完成了部分晶粒的動態再結晶。再結晶晶粒的增多使得組織更加均勻，力學性能也會得到強化。形變程度小，意味著再結晶形核的場所少，形核率低，由于晶界不遷移，晶粒中必然存在較高的位錯密度。再結晶晶粒的增多以及高密度的位錯在宏觀上帶來了材料變形抗力的增加。

圖6 再結晶體積比統計圖Fig.6 Volume fraction of DRX

2.3 表面硬化

材料硬化效果加強，分別取初始材料以及1，2，3號件同位置表層80 μm處5cm×5 cm區域，通過維氏硬度法進行顯微硬度測試，圖7為其硬度云圖。圖7顯示了時效前后不同位置處材料表面硬度的變化情況：材料時效前表面中心區域硬度約為168HV；1，2，3號件分別時效后中心區域硬度提高到約為197，182和185 HV；中間位置的1#試樣時效后硬度提高效果最好，提升率為17.3%左右；零振幅位置和最大振幅位置時效效果大致相同，提升率為10%左右。

由上述的組織變化可以看出，振動時效對表面組織的改性有積極影響，促使晶粒變形，使表面材料得以硬化。從振動時效的作用效果和工業應用實踐來看，在振動能量不變的情況下，時效時間并不會對這種微觀變化產生持續影響，這是因為當材料硬化達到一定程度后，表面材料變形抗力會導致時效效果不再發揮作用，這也是時效時間一般控制在15～30min以內的主要原因。另外，時效所帶來的晶粒變形是表面應力釋放的根本原因，變形改變了晶粒間力作用的強度和效果。振動使結構件表面應力得到釋放，釋放的程度取決于試樣的時效位置。因為位置和振動的能量有關，這表明通過改變試樣在平臺上的時效位置，能夠對結構件優化表面性能起到積極作用。

3 結 論

1) 平臺式VSR方法不僅對焊接件，對結構件這類全域性表面應力分布不均或表面應力強度高的情形都能夠發揮積極作用。實驗證明，通過平臺式振動時效可釋放構件表面殘余應力，最大釋放率可達29%。

2) 材料表面屈服強度偏低，客觀上滿足了VSR對材料進行屈服削減應力的要求，微觀分析證明了VSR能夠改變材料表面晶粒的內部取向，強化組織性能，材料表面硬化可達17%，一定程度上對穩定構件變形有積極作用。

3) 平臺式VSR能夠對結構件表面完整性形成有效改變，可通過調整時效位置和動應力強度實現材料表面性能參數的優化。