[發明專利]一種殘余應力的高能超聲聲場調控方法

無效

• 申請號: 201310026970.4
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103045845A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 徐春廣;宋文濤;潘勤學
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;C22F3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明涉及一種消除彈性固體構件中殘余應力的方法，尤其涉及一種利用高能超聲聲場，實現對在役金屬或非金屬構件局部殘余應力分布的原位消除、抑制和重建。

二、背景技術

彈性固體構件在冷、熱加工過程中都會不同程度地產生殘余應力，殘余應力的存在對構件的靜態強度、疲勞強度、結構變形和使用壽命等方面有著重大的影響。

傳統采用自然時效、熱處理等方法進行殘余應力消弱和消除。但是自然時效耗時長、效率低、占地面積大、不易調控；熱處理法周期長、能耗高、經濟成本高、工件易氧化、污染嚴重，而且不易處理大型構件或加熱易受損的構件。

由于傳統的消除方法不盡人意，隨著理論研究的深入和在生產實踐中不斷的創新，殘余應力消除新技術不斷涌現。如論文：（林健,趙海燕,蔡志鵬,等.脈沖磁處理法降低工程結構的焊接殘余應力[J].清華大學學報(自然科學版),2007,47(2):161-164.）中提到了一種通過動態磁場與鋼鐵材料相互作用來改善工件中殘余應力分布的新方法。但這種技術的不足之處是磁路裝置較為復雜，現場使用操作較不方便，且僅僅應用于焊接產生的殘余應力。

專利：（李斌,劉志強.一種超聲沖擊消除焊接中殘余應力的方法及其應用[P].申請號:201010593757.8,2010.）中提出了利用超聲沖擊來消除殘余應力的方法。該方法同樣存在不足：超聲沖擊在均化在役構件殘余應力的同時，機械構件表面由于受到變幅桿沖擊影響，通常會帶來沖擊損傷甚至是裂縫或微小裂紋，對在役金屬構件來說，這些沖擊損傷是絕對不允許出現的，將極大地影響機械結構的安全和可靠性。實質上，以上兩種方法都不適合非金屬構件（如復合材料、陶瓷、玻璃等）殘余應力的消除。

利用高能超聲聲場不僅能實現金屬或非金屬構件殘余應力的原位消除和調控，提高構件的使用性能、尺寸穩定性、疲勞強度、耐磨性等，而且本發明工藝簡單，具有高效、節能、環保等特征。

三、發明內容

本發明的目的是通過研究高能超聲聲場對殘余應力的調控方法，給出高能超聲聲場與構件內殘余應力的作用關系，以及調控效果與高能聲場的頻率、功率和作用時間的關系，并提出最佳調控方案。

本發明所述的殘余應力高能超聲聲場調控方法，其原理在于：

殘余應力得以消除的過程實質是儲存在材料中的彈性應變能通過微觀或局部塑性變形逐漸釋放的過程，也即與位錯的運動有關。要消除殘余應力，就是給位錯原子以足夠的動力，克服其阻力，通過滑移出晶體內部，實現晶格畸變的減少，殘余應力得到消除。

聲場中取一足夠小的質元，其體積為V₀，壓強P₀，密度為ρ₀，

質元V₀在速度為c的聲波作用下獲得的總能量E＝E_k+E_p，即：

E=Ek+Ep=12ρ0V0c2+12p2ρ0c2V0---(1)]]>

式中，E_k為該質元所活動的動能，E_p為該質元所活動的勢能。

傳聲媒質中任何一點的聲壓P都是時間t與頻率f的函數：

P＝sA?iπn??????????????????????????????（2）