振動(dòng)消除應(yīng)力實(shí)際上就是用周期的動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，使局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應(yīng)力。這里，殘余應(yīng)力是作為平均應(yīng)力提高周期應(yīng)力水平而起作用的。
振動(dòng)處理是對(duì)構(gòu)件施加一交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與構(gòu)件上某些點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，這些點(diǎn)將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某些點(diǎn)產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達(dá)到屈服極限，也同樣會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形，況且這些塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大的點(diǎn)上，因此，使這些點(diǎn)受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應(yīng)力。這就是用振動(dòng)時(shí)效可以消除殘余應(yīng)力的機(jī)理。
振動(dòng)消除應(yīng)力是在交變應(yīng)力達(dá)到一定周次后實(shí)現(xiàn)的，這就是包辛格效應(yīng)作用的結(jié)果。
一、等幅荷載反復(fù)作用下金屬材料的應(yīng)力與應(yīng)變
圖2.2是將試件在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，當(dāng)荷載為變幅遞升多次反復(fù)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。從圖中曲線可見，材料的屈服極限在逐漸提高，殘余變形在逐漸增大，最后導(dǎo)致破壞。而圖2.3是等幅（σ0>σS）重復(fù)荷載作用下的拉伸曲線示意圖。σ0為重復(fù)荷載的幅值，σ0>σS。從圖中可見，每次拉伸都使屈服點(diǎn)比前一次有所提高，滯回曲線面積減少，殘余變形減少。經(jīng)過(guò)若干次之后，殘余應(yīng)變為0，說(shuō)明不再出現(xiàn)新的塑性變形，材料的塑性被強(qiáng)化為彈性，材料處于安定狀態(tài)。這正是振動(dòng)時(shí)效力學(xué)機(jī)理的靜態(tài)模擬。
圖2.2 變幅荷載下拉伸曲線 圖2.3 等幅重復(fù)荷載拉伸曲線
二、振動(dòng)處理過(guò)程中材料的應(yīng)力和應(yīng)變
圖2.4 交變應(yīng)力下的應(yīng)力和應(yīng)變
振動(dòng)處理是對(duì)構(gòu)件施加-交變應(yīng)力，而殘余應(yīng)力相當(dāng)于平均應(yīng)力而改變了總應(yīng)力的應(yīng)力水平。但在交變應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在振動(dòng)處理過(guò)程中逐漸下降，使總應(yīng)力水平降低。圖2.4是Luban Felger的示意圖。從這個(gè)圖中可以看到在振動(dòng)處理過(guò)程中殘余應(yīng)力的變化情況，當(dāng)材料受到等幅交變應(yīng)變作用（εC-εB]時(shí)，如果材料已經(jīng)屈服，則殘余應(yīng)力下降。設(shè)處理前的殘余應(yīng)力為σA，回線ACB是第一次交變循環(huán)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線。當(dāng)總應(yīng)力超過(guò)A點(diǎn)后，材料進(jìn)入塑性直到C點(diǎn)。而CB又平行于彈性線，CB末端卻又偏離彈性線。這些現(xiàn)象都是由包辛格效應(yīng)所致。經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)后應(yīng)力和應(yīng)變均處于穩(wěn)定的回線上。如圖中曲線所示，殘余應(yīng)力由σA下降到σB而不再變化。
圖2.4與圖2.3從原理上說(shuō)是相同的，都說(shuō)明要使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力下降，必須使作用應(yīng)力疊加后大于材料的屈服極限，即
σ動(dòng)＋σ殘>σS
如果殘余應(yīng)力下降后，作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和小于屈服極限時(shí)，則構(gòu)件保持穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。因此振動(dòng)處理到一定周次后，如果不提高作用應(yīng)力的量值，則繼續(xù)處理已不再起作用。
三、殘余應(yīng)力與作用應(yīng)力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究
在文獻(xiàn)中，Wozney等人做了如下實(shí)驗(yàn)：對(duì)薄板試件（SAE1070，7.6×1.9×0.13cm）進(jìn)行噴丸處理后，施加交變彎曲應(yīng)力，使殘余應(yīng)力發(fā)生變化。其結(jié)果如表2.1所示。殘余應(yīng)力是用X射線法測(cè)定的。試樣2是噴丸處理的，試樣3~6是噴丸后又施加了交變應(yīng)力。經(jīng)高應(yīng)力交變處理時(shí)，殘余應(yīng)力有明顯的下降。作用應(yīng)力低則殘余應(yīng)力變化小甚至不變化。圖2.5是根據(jù)這些結(jié)果所示的在交變應(yīng)力作用下殘余平均應(yīng)力的變化規(guī)律。從圖中可見，當(dāng)處于彈性極限直線所包圍的內(nèi)部狀態(tài)時(shí)（例如試件3），即使有應(yīng)力交變作用，平均應(yīng)力也不變化。而試樣4~6在交變應(yīng)力作用下，平均應(yīng)力都將向彈性極限直線移動(dòng)，這些都是在壓應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力的變化情況。即使在拉應(yīng)力狀態(tài)下，也仍然如此，如圖中B點(diǎn)，在交變拉應(yīng)力作用下向C點(diǎn)移動(dòng)；在A點(diǎn)時(shí)，平均應(yīng)力就不發(fā)生變化。這些都和圖2.4所反映的規(guī)律是一樣的，即作用應(yīng)力和殘余應(yīng)力之和必須大于材料的屈服極限時(shí)，平均應(yīng)力才能下降。
表2.1 用振動(dòng)消除薄板試樣的殘余應(yīng)力
試樣
№
試驗(yàn)后應(yīng)力
（7MPa）
作用應(yīng)力
（7MPa）
應(yīng)力范圍
（7MPa）
周次
1
-23
0
0
（初始狀態(tài)）
2
-51
0
0
（噴丸處理）
3
-51
35
-86
-16
27000
4
-41
70
-121
＋19
27000
5
-37
85
-126
＋44
100
6
-34
85
-122
＋48
27000
圖2.5 應(yīng)力循環(huán)引起的平均應(yīng)力變化規(guī)律
為盡量明確作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的關(guān)系，文獻(xiàn)中曾用板梁的振動(dòng)處理結(jié)果來(lái)說(shuō)明，如圖2.6：用一普通鋼制成的長(zhǎng)1200mm、寬120mm、厚16mm的板梁，在其上表面堆焊出兩條焊道，測(cè)其殘余應(yīng)力為150MPa左右。將板梁一端固定成懸臂狀，并在另一端激振，由應(yīng)變片1測(cè)其動(dòng)應(yīng)力為80MPa。
圖2.6 板梁的振動(dòng)處理
經(jīng)30分鐘的振動(dòng)處理后，再次測(cè)圖中梁上三點(diǎn)的殘余應(yīng)力，其變化由表2.2給出。不難看出同上面一樣的結(jié)果：動(dòng)應(yīng)力越大消除應(yīng)力的效果越好，而消除應(yīng)力的最必要條件是作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和必須大于材料的屈服極限，即
σ動(dòng)＋σ殘>σS
表2.2 板梁殘余應(yīng)力值（MPa）
點(diǎn) 號(hào)
1
2
3
振前應(yīng)力值
150
150
150
振后應(yīng)力值
76.5
82.5
140.4
消除應(yīng)力值
73.5
67.5
9.6
消除比例（％）
49
44.9
6.4