材料组织结构对振动时效效果分析与研究

目前，我们对振动时效工艺的研究还处于较分散的状态，主要是针对特定材料和特定结构，对材料组织特征与时效效果之间的关系和规律研究较少。为了研究材料组织结构对振动时效工艺的影响，选取两种具有相似组织结构的低碳钢的焊接结构采用相同的工艺进行了振动时效实验。

实验方法

以Q235与D36钢的焊件作为本次实验的试件，对这两个试件分别进行振动时效处理。用盲孔法测量试件振前振后的残余应力值，根据结果分析两者振动时效效果的差别，讨论材料性能对振动时效效果的影响。为了确保两种材料试件试验结果的可比性，试件的尺寸要相同，振动时效处理时参数也要相同。

试件情况

试验中所用的材料为Q235和D36结构钢，试件加工成尺寸为200*1000mm的试板，开60°坡口，留3mm钝边。将两块试件焊接成一块400*1000mm的长条形试件。焊接时采用焊条电弧焊。焊接时包括打底焊共四层，电流150-180A，电压25V，封底焊时焊接速度为300mm/min，其他焊道240mm/min。

D36结构钢为低合金中高强度钢，试件形式和尺寸与Q235试件相同，试件尺寸200*1000mm，开60°坡口，留3mm钝边，焊接方法与Q235相同。

振动时效工艺及残余应力测量

实验使用设备为聚航科技生产的JH-700A智能频谱交流振动时效设备，该设备采用高速变频伺服电机，比传统的直流电机寿命长、激振力大。有频谱谐波分析技术，消除残余应力效果更好。

振动时效处理时激振器直接装夹在试件端部，试件的四个角用橡胶垫支撑，压电传感器放在试件长度方向中间1/3区域内的焊趾处。振动时效的参数包括振动频率、振动幅度和振动时间。振动时效前，通过扫频获得构件的频率振幅曲线，并选择频率振幅曲线上最高峰对应的频率作为振动时效处理的频率。调整激振器的档位来调整激振力，观察试件的振动状态，实现试件振动平稳的同时焊缝处的振幅较大就是激振器*佳档位。为了保证两组试验的实验条件相同，在对Q235试件和D36试件进行振动时效试验时，振动频率选择一阶共振频率，激振器的档位为半档，振动时间依据振动时效标准确定为30min。

采用盲孔法测量振动时效前后残余应力值，测量设备为JHMK残余应力测试系统，钻孔直径1.5mm，钻孔深2mm。由于平板焊接构件在试件中间1/3的区域内残余应力分布稳定，测量时假设在试件中间1/3区域内距焊缝距离相同的位置残余应力相同。测量残余应力时从焊趾开始垂直于焊缝方向逐渐远离焊缝，为了保证相邻两个测量点间不相互影响，相邻两个测量点的间距大于15mm。

振动时效结果与分析

从Q235试件振动时效前后残余应力测量结果可知，振动时效后，无论是垂直于焊缝还是平行于焊缝的方向，残余应力都出现了明显的降低，横向残余应力的降低幅度大于纵向残余应力的降低幅度。测量位置中残余应力最高的位置距离焊缝中心18mm处，其横向残余应力降低72.38%，纵向残余应力降低20.72%。残余应力降低程度所表现出的规律是：横向残余应力降低得较多的位置，纵向残余应力降低得较少。在距离焊缝中心28mm处，横向残余应力从之前的148MPa转变为负值。残余应力的最大降低量为180.6MPa，最小降低量为32.3MPa，残余应力的降低量远超过盲孔法测量残余应力的误差。结果表明，振动时效会对Q235试件的残余应力有明显的影响，使其整体降低，局部位置可以实现单方向残余应力的消除，将残余拉应力转变为残余压应力。

从D36试件振动时效前后残余应力测量结果中可见，焊趾处的残余应力最高，振动时效处理后，焊趾处的横向残余应力略有升高，升高幅度为3.85%，纵向残余应力略有降低，降低幅度为0.2%。残余应力变化的最大值为40.2MPa，最小值为0.2MPa。若考虑到盲孔法测量残余应力的误差，可以认为在与Q235试件相同处理工艺的试验条件，D36试件内的焊接残余应力几乎不发生变化。

Q235与D36焊件的微观组织

残余应力的测量位置为焊趾和母材，为了研究材料组织对振动时效消除残余应力效果的影响，对比分析Q235与D36焊接试件在焊趾及母材的微观组织形貌。两种材料都是由铁素体与珠光体组成，铁素体均为粒状，少部分珠光体为粒状，大部分的珠光体呈带状。D36珠光体晶粒的尺寸与铁素体晶粒的尺寸相当；而Q235母材中珠光体晶粒比铁素体晶粒尺寸小。两种材料的晶粒尺寸相比，D36母材的晶粒尺寸更小。

焊趾部位通常是残余应力较高的部位，焊趾部位对应于试件热影响区中的过热区部位。从组织图可知，在宏观金相观察中，根据颜色和形状的不同，可观察到明显的熔合线。焊缝侧为放射状的柱状晶，热影响区靠近焊缝的部位为过热区粗晶区。Q235的过热区内为由白色针状铁素体形成的魏氏组织和快状的铁素体，晶内由珠光体和少量的粒状贝氏体组成，晶内可以看见少量的细针状铁素体与小块的铁素体，珠光体的含量明显多于母材中组织中珠光体的含量。D36焊件焊趾部位的组织为过热区粗晶组织，由粒状贝氏体和少量的珠光体组成。D36焊件焊趾部位组织晶粒尺寸明显小于Q235焊件焊趾部位晶粒的尺寸。

对比与分析

振动时效降低残余应力的机理主要有两种：一种理论认为在振动过程中，外加的动应力与试件内部的残余应力相迭加超过材料的屈服强度后，应力集中部位发生塑性变形，从而释放残余应力；另一种理论从位错的角度解释，认为振动过程中的微观塑性变形是位错运动的结果。因此，振动时效的机理为振动会导致材料内部较高残余应力位置的位错启动，在材料内部的位错的增值与相互缠结的过程中残余应力得到释放。Q235焊件振动时效效果好，在焊接残余应力较高部位更容易发生塑性变形，或该位置位错更容易发生移动。

Q235与D36结构钢均属于碳素结构钢，其含碳量均小于0.3%，属于低碳钢的范畴，两者的主要成分相似，母材的微观组织相同，由粒状铁素体和带状的珠光体组成。热影响区过热区的组织相似，主要由贝氏体和珠光体组成，但组织的形状明显不同。两种焊件母材与焊趾部位组织差异主要表现为两个方面：

1. 相的比例。Q235焊件热影响区过热区和母材区中珠光体的含量高于D36焊件。

2. 晶粒的尺寸与形状。D36焊件无论是母材还是热影响区的过热区晶粒的尺寸都明显小于Q235。

铁素体与纯铁的晶格结构相同，抗拉强度和屈服强度较低，具有良好的塑性和韧性；珠光体的塑韧性较好，抗拉强度远高于铁素体，铁素体比珠光体更容易发生塑性变形。Q235焊件高应力区内珠光体含量较高，不易发生塑性变形。按照传统的振动时效理论，应当较难在振动中释放应力，但是在本实验中，Q235焊缝的振动时效效果却较好。因此可以判断珠光体与铁素体的比例不是影响残余应力消除效果的主要原因。

无论是母材还是焊趾部位，D36的晶粒都明显小于Q235的晶粒。根据细晶强化理论，当晶粒较细时，较多的晶界不仅会阻碍滑移提高屈服强度，还会给位错的启动和运动增加更多的能量。因此，在较细晶粒的D36试件中，位错更难启动，位错运动的阻力也更大，使得振动时效过程中位错变化较少，因而振动消除残余应力的效果较差。因此晶粒尺寸的不同是Q235焊件与D36焊件振动时效效果差异的主要原因。

结论

1. 在相同的振动时效处理条件下，Q235焊件焊接残余应力的降低幅度远大于D36。Q235焊件振动时效后，焊接残余应力的最大降低量为180.6MPa，与振动时效前相比，最大变化幅度为122.02%；D36焊件振动时效后，焊接残余应力的最大降低量为12MPa，最大变化幅度为24.24%。

2. Q235与D36焊件焊趾部位组织的主要区别在于不同的比例和晶粒尺寸的差异，D36焊件焊趾部位珠光体含量较少，且晶粒较细。

焊缝热影响区的晶粒尺寸是决定振动消除应力效果的主要因素。晶粒越小，晶界越多，振动过程中位错运动的开启与位错的运动所需要的能量越大，使振动消除残余应力产生效果所需的能量越大，晶粒越细小的试件，振动时效越难产生效果。