超声振动时效消除残余应力机理分析及试验研究

发布时间：2017-09-20 21:02

  本文关键词：超声振动时效消除残余应力机理分析及试验研究

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【摘要】：在实际生产过程中，锻造、切削、焊接、热处理、装配等工艺过程都会使工件内部出现不同程度的残余应力。残余应力会影响工件的结构强度、静载荷刚度、疲劳强度、尺寸的稳定性，甚至会使工件产生裂纹或变形，因此消除工件内部残余应力是生产过程中不可或缺的一道重要工序。通常消除残余应力有自然时效、热时效和振动时效三种方法，而振动时效工艺以低能耗、低成本、高效率、高环保等优点，逐步替代了工件的自然时效和热时效工艺。 目前国内对振动时效的研究主要集中在低频振动时效，研发的低频振动时效设备在生产中得到大量的应用，并取得了良好的效果。然而小型零件的一阶固有频率都超出了低频范围，现有的低频振动时效方法难以消除其残余应力，但随着产品的小型化、精密化发展，对小型零件尺寸稳定性要求越来越高，为此本课题提出了针对小型零件的超声振动时效方法。其主要特点在于低振幅高频率，单位时间的输入能量较大，消除残余应力时间短。目前在超声振动时效机理研究、设备研制以及推广应用方面上研究较少。针对上述现状，本课题主要研究内容如下： （1）搭建了超声振动装置和压力机平台，设计了试验所用的超声变幅杆以及杆件试样，对试验杆件中残余应力做了理论计算。并用ANSYS模拟仿真杆件内部的残余应力,最大残余应力的理论值和仿真值误差较小。结果显示，采用模拟仿真可清楚准确地得到杆件内部残余应力的分布。 （2）采用了x射线衍射法，精确无损地测量超声振动时效处理前后杆件表面残余应力。通过几组对比试验，对小型零件残余应力的消除效果进行定量评定。实验结果表明，残余应力峰值明显减小，，整体残余应力分布均化，证明了超声振动时效消除小型零件内部残余应力的有效性。 （3）探索了消除残余应力效果评定的新方法。采用扫描电子显微镜观察超声振动前后工件的位错密度，通过比较位错密度的分布可直接评定残余应力的消除效果。 （4）探讨了超声振动时效消除残余应力的微观机理，首次提出了超声振动时效机理与低频振动时效机理的不同，超声振动消除残余应力的效果取决于零件内部晶粒获得的振动能量。在超声振动时效中，即使当构件内残余应力与动应力时叠加之和小于材料的屈服极限时，也能消除工件内的残余应力，并通过试验进行了验证。
【关键词】：残余应力 超声振动时效 x射线衍射法 扫描电镜
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG156.92
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 振动时效在国内外的研究现状11-13
• 1.1.1 振动时效在国外的研究现状11-12
• 1.1.2 振动时效在国内的研究现状12-13
• 1.2 目前振动时效存在的问题13-14
• 1.3 超声振动时效研究的目的与意义14-15
• 1.4 本文主要的研究内容和方法15-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 振动时效机理分析与研究17-27
• 2.1 残余应力的研究发展概况17-19
• 2.1.1 残余应力的分类17
• 2.1.2 残余应力产生的原因17-19
• 2.2 残余应力的影响19-20
• 2.3 残余应力的消除20-22
• 2.4 残余应力的测量22-24
• 2.5 传统振动时效机理24-25
• 2.6 本章小结25-27
• 第三章 超声振动时效工艺参数与效果评定27-33
• 3.1 超声振动时效的工艺参数27-28
• 3.1.1 激振应力27
• 3.1.2 激振频率27-28
• 3.1.3 激振时间28
• 3.2 超声振动时效的效果评定28-31
• 3.2.1 参数曲线观测法28-29
• 3.2.2 尺寸精度稳定性检测法29-30
• 3.2.3 残余应力测量法30
• 3.2.4 位错密度观测法30-31
• 3.3 本章小结31-33
• 第四章 超声振动时效的试验设计与仿真33-49
• 4.1 超声振动时效装置33-34
• 4.1.1 超声波发生器33-34
• 4.1.2 超声换能器34
• 4.2 超声波变幅器34-40
• 4.2.1 传振杆的设计34-36
• 4.2.2 超声变幅杆的设计36-40
• 4.3 试验杆件的设计40-41
• 4.4 搭建压力机平台41-43
• 4.5 杆件中残余应力的理论计算与仿真43-45
• 4.6 激振动应力的理论计算与仿真45-47
• 4.7 本章小结47-49
• 第五章 超声振动时效的试验研究与效果评估49-65
• 5.1 X 射线衍射法测量残余应力49-56
• 5.1.1 X 射线衍射基本原理49-50
• 5.1.2 测量方法50-51
• 5.1.3 试样的制备51-52
• 5.1.4 实验方案52-53
• 5.1.5 实验结果53-56
• 5.1.6 实验结果分析56
• 5.2 位错密度法评定超声振动效果56-63
• 5.2.1 扫描电子显微镜成像基本原理56-57
• 5.2.2 扫描电镜的特点57-58
• 5.2.3 试样的制备58-59
• 5.2.4 实验方案59-60
• 5.2.5 实验结果与分析60-63
• 5.4 超声振动时效机理63-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-69
• 6.1 总结65-66
• 6.2 展望66-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 攻读学位期间发表的学术论文75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李黎,习宝田,杨永福;X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力[J];北京林业大学学报;2005年03期

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本文编号：890355