自然时效下残余应力释放及其应用

固溶、淬火处理后的合金于室温下露天停放，发生过饱和溶质原子脱溶，利用环境温度的不断变化和时间效应使残余应力释放的过程被称为自然时效。根据原子学说理论，当温度处于绝对零度之上时，金属原子始终处于振动状态［2］。自然时效即为利用原子的这种特性，溶质原子因为温度降低而析出，倾向于结合空位从而形成团簇或溶质原子偏聚区，然后合金的微观结构和性质可能会因沉淀而发生显著变化，从而使构件内残余应力重新分布。但是，在没有外加能量的情况下，原子振动的能量值和幅度是十分微小的，所以应力下降的过程也十分缓慢，故而自然时效是所有时效法中耗时最长的，一般以年为计数单位。

从合金强化相上来分析，含有S、Cu和Al等相的合金，对于高温敏感，一般采用自然时效。同时，对于大型铸造工件或大型焊接部件，其余残余应力的消除方式均受到了尺寸的限制，大多采用如图5-1所示的自然时效消除残余应力的方式。在工程应用中，所有的加工方式都不可避免地存在自然时效，因为工件在实际应用前通常其材料都会经历多个热处理步骤，固溶处理后在室温下暴露一定时间是不可避免的［3］。

图5-1　自然时效处理的大型铸件

自然时效消除残余应力的效果主要取决于升温速率、退火温度、放置时长和环境温度等。自然时效降低的残余应力不大，但对于工件尺寸的稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置，其尖端及其他线缺陷尖端附近产生应力集中，发生了塑性变形，松弛了应力，同时也强化了这部分基体，增加了这部分材质的抗变形能力。图5-2展示了某起重机自然时效下残余应力的变化［4］。其中A1-1、A1-2为起重机上的不同结构部分，可以看出，在自然时效作用下，应力集中区域逐步降低，没有明显的转折点，整体处于平缓的下降趋势，在5～9 h的自然时效后，应力集中区占比降低30%～40%。(www.xing528.com)

图5-2　某起重机部件焊接后自然时效下残余应力变化［4］

自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长，占用场地大，不易管理，同时不能及时发现构件内的缺陷，在高精度的加工生产中已逐渐被其他新型的方式取代。