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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行振動時效處理。用盲孔法測量試件振前振后的殘余應力值，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力測量

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

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)振動時效標準確定為30min。

采用盲孔法測量振動時效前后殘余應力值，測量設備為JHMK殘余應力測試系統(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)殘余應力分布穩(wěn)定，測量時假設在試件中間1/3區(qū)域內(nèi)距焊縫距離相同的位置殘余應力相同。測量殘余應力時從焊趾開始垂直于焊縫方向逐漸遠離焊縫，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，殘余應力都出現(xiàn)了明顯的降低，橫向殘余應力的降低幅度大于縱向殘余應力的降低幅度。測量位置中殘余應力*高的位置距離焊縫中心18mm處，其橫向殘余應力降低72.38%，縱向殘余應力降低20.72%。殘余應力降低程度所表現(xiàn)出的規(guī)律是：橫向殘余應力降低得較多的位置，縱向殘余應力降低得較少。在距離焊縫中心28mm處，橫向殘余應力從之前的148MPa轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝?。殘余應力?大降低量為180.6MPa，最小降低量為32.3MPa，殘余應力的降低量遠超過盲孔法測量殘余應力的誤差。結(jié)果表明，振動時效會對Q235試件的殘余應力有明顯的影響，使其整體降低，局部位置可以實現(xiàn)單方向殘余應力的消除，將殘余拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯Α?/p>

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

Q235與D36焊件的微觀組織

殘余應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；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力較高的部位，焊趾部位對應于試件熱影響區(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力的機理主要有兩種：一種理論認為在振動過程中，外加的動應力與試件內(nèi)部的殘余應力相迭加超過材料的屈服強度后，應力集中部位發(fā)生塑性變形，從而釋放殘余應力；另一種理論從位錯的角度解釋，認為振動過程中的微觀塑性變形是位錯運動的結(jié)果。因此，振動時效的機理為振動會導致材料內(nèi)部較高殘余應力位置的位錯啟動，在材料內(nèi)部的位錯的增值與相互纏結(jié)的過程中殘余應力得到釋放。Q235焊件振動時效效果好，在焊接殘余應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，抗拉強度和屈服強度較低，具有良好的塑性和韌性；珠光體的塑韌性較好，抗拉強度遠高于鐵素體，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，應當較難在振動中釋放應力，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)細晶強化理論，當晶粒較細時，較多的晶界不僅會阻礙滑移提高屈服強度，還會給位錯的啟動和運動增加更多的能量。因此，在較細晶粒的D36試件中，位錯更難啟動，位錯運動的阻力也更大，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焊件焊接殘余應力的降低幅度遠大于D36。Q235焊件振動時效后，焊接殘余應力的*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。

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