[发明专利]用电击时效法消除材料内部残余应力的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除残余应力的方法及系统，特别是涉及一种用电击时效法消除材料内部残余应力的方法及系统。

背景技术

在制造加工过程中，材料将受到来自诸如焊接、铸造、热处理、切削、激光加工等各种工艺因素的作用和影响，同时在装配过程中也会出现因为尺寸不协调而造成强行装配。所有这些都会在材料内部产生不必要的残余应力，从而降低了材料的使用强度和疲劳寿命，增加了应力腐蚀作用，同时也成为材料产生变形和开裂的重要原因。所以，如何消除或降低材料中的这种残余应力，一直是机械制造工艺中迫切需要解决的一个关键技术问题。

传统的消除残余应力工艺有自然时效和热时效技术。自然时效依靠昼夜季节的温度变化，长期积累使金属发生细微的收缩和膨胀，逐渐造成金属晶格缓慢滑移，并最终达到释放应力的目的，但这种时效耗时长、效率低、占地面积大。

热时效通过把工件加热到相变温度以下，在热状态下降低工件材料的屈服极限，从而使工件材料在内应力作用下发生屈服变形，产生应力松弛，残余应力得以降低或消除。热时效周期较自然时效大为缩短，应用广泛，但是退火炉造价高、能耗高、占地面积大、辅助设备多、工件易氧化、劳动条件差、污染严重且不易处理大型构件或加热易受损的构件。

振动时效技术是近五十年才发展起来的一项采用机械法消除残余应力的技术。当构件产生较强烈机械振动时，振动应力与材料内部残余应力相叠加大于材料屈服极限时，材料将发生屈服变形，产生应力松弛，从而降低或消除残余应力。振动时效技术具有处理效果好、绿色环保、低成本、低功耗、体积小、便于现场操作和处理大型构件等特点。尽管如此，由于对振动时效机理以及强振动对材料疲劳寿命的影响等尚不是十分清楚，也有研究对振动时效法提出质疑。如有的学者认为，振动时效只能削弱材料中残余应力的峰值，而不能降低材料内部的平均残余应力；有的学者还认为热时效的效果要优于振动时效，这些极大的限制了振动时效技术的推广应用。

爆炸法和静态作用力法是另外两种采用机械法消除残余应力的典例，它们的原理都是通过外加载荷与内部残余应力叠加，从而使材料内部发生塑性变形，释放内应力，但爆炸法只适用于那些在强大冲击波下不会造成破坏的材料，而静态作用力法对构件静态加载的能力有特殊要求。

磁处理技术是一种通过动态磁场对钢铁材料作用来改善其中残余应力分布的新方法。钢铁材料在动态磁场的作用下，内部发生磁致振动，而该振动与材料中局部分布不均匀的残余应力共同作用，推动该区域内的位错产生滑移，从而产生塑性应变，导致应力松弛，因此残余应力得以降低或消除。磁处理技术具有操作简捷、成本低廉、能耗低、污染低等特点，该技术的缺点是仅能处理铁磁性材料。

纵观目前采用的各种消除残余应力的方法及学者们对各种方法进行的研究分析，我们发现一个共同的规律：若能够将外界能量有效地传递给材料内部的微观粒子或较小尺度的粒子团，即构成“微观激励”，则材料内部残余应力将容易被消除。这是因为残余应力的宏观表象最本质的原因还是微观粒子或粒子团受到外力作用而处于高能不稳定状态，若能够受到外力作用，其将恢复到低能稳定状态，从而消除残余应力。

自然时效是将外界自然能传递到工件内部，由于作用时间较长、自然能也较弱，所以自然时效的处理时间长而且效果不好。热时效是通过加热将热能有效、均匀地传递到材料内部微观粒子或粒子团，所以效果较好，同时也成为目前只要在工件被允许加热的条件下，公认为较理想的消除残余应力的方法。振动时效、爆炸法和静态作用力法都是将机械能注入材料内部，从而构成微观激励。磁处理技术是一种将电磁能注入铁磁材料内部的磁畴以实现微观激励的方法，由于磁畴具有较小的尺度，因而具有较好的处理效果。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用电击时效法消除材料内部残余应力的方法及系统。所谓电击时效法，就是将电能注入材料内部使带电粒子运动或产生极化运动，从而实现微观激励，并最终消除材料内部的残余应力。对于导电材料，通过施加强电脉冲或交变电流；对于绝缘材料，则施加强电脉冲或交变电场。

本发明采用的技术方案是：

一、一种用电击时效法消除材料内部残余应力的方法