振動時效消除殘余應力，從宏觀上說，是材料力學性能的體現；從微觀上說，是材料內部晶體結構能量的再分配。
金屬構件在發生塑性變形的過程中一般都會伴隨有彈性變形，外力撤去后，塑性變形限制了彈性部分的恢復，造成彈性勢能無法釋放，在構件內部形成應力場。從能量轉換的角度解釋：在塑性變形的過程中，外力所做的功一部分轉化成熱量釋放掉，還有一部分存儲于金屬內部，以畸變能的形式存在，在其內部形成應力場，這就導致了殘余應力的產生。
從微觀上觀察金屬晶體，其內部的組織結構在大多數情況下都是非理想排列，存在著很多這樣或那樣的缺陷。比如位錯、空位或者雜質等。這些缺陷的存在會在晶體內部產生不同程度的晶格畸變，大量的晶格畸變會造成組織內部的應力集中。宏觀上就表現為構件的殘余應力。
消除殘余應力的措施：一方面，可以通過恢復物體內部被抑制的彈性形變，或使其發生塑性變形，來釋放其彈性勢能。另一方面，可以增大金屬原子的能量，使其振動加劇，運漸回到其平衡位置，減少晶格的畸變，進而達到降低構件殘余應力的目的。
振動時效設備是以振動的形式對金屬構件反復施加載荷，當附加動應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發生塑性變形，降低和勻化工件內的殘余應力。