|
吳甦，趙海燕，鹿安理，方慧珍
�。ㄇ迦A大學(xué) 機械工程系，北京 100084）
（國家自然科學(xué)基金資助項目）
摘要：磁場處理被許多研究者用于提高材料的力學(xué)性能并取得了一定效果。作者首次運用磁處理方法進行降低材料內(nèi)應(yīng)力的研究。結(jié)果表明，不同的處理方法，如高強磁脈沖處理和低頻交變磁場處理都能夠不同程度地降低材料內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，而且其降低殘余應(yīng)力的方式與常規(guī)的熱處理有本質(zhì)的不同。本文定量研究了低頻交變磁處理方法降低殘余應(yīng)力的程度、特點和工藝參數(shù)。通過透射電鏡分析，著重觀察了對30CrMnSiA進行磁處理時處理前后材料內(nèi)部的位錯運動規(guī)律。在經(jīng)過磁處理后的試樣中，其明顯的胞壁結(jié)構(gòu)消失，位錯分布均勻化，整體位錯密度與處理前相比變化不大。根據(jù)上述觀察和宏觀試驗結(jié)果，對磁處理降低殘余應(yīng)力的特點和微觀機理進行了分析討論，認為磁場作用下的位錯均勻化是磁處理降低殘余應(yīng)力的主要原因。
關(guān)鍵詞：磁處理；內(nèi)應(yīng)力；位錯；應(yīng)力松馳
中圖分類號： TG441.8
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0253-360X(2002)01-09-03
0序言
在機械加工、制造過程中，很多工藝過程都會在材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力對工件的質(zhì)量有著重要的影響，因而殘余應(yīng)力的控制與消除是材料加工領(lǐng)域的一個重要課題。迄今為止，熱處理仍然是較廣泛使用的降低內(nèi)應(yīng)力的方法，其中整體熱處理是更為徹底的消除方法。但對于大型結(jié)構(gòu)，采用整體消除應(yīng)力回火，耗能高耗時長，而且很多情況下難以實施，故往往只采用局部熱處理。但除了加熱溫度和時間外，局部熱處理的效果還受到加熱寬度、加熱帶內(nèi)溫度梯度、接頭的復(fù)雜性等眾多因素的影響，結(jié)果差異很大甚至出現(xiàn)新的高內(nèi)應(yīng)力區(qū)域。對某些高強鋼進行焊后消除應(yīng)力熱處理時，還會導(dǎo)致再熱裂紋和脆化。因此作者一直致力于研究一種能夠有效降低殘余應(yīng)力，同時又不導(dǎo)致材料性能惡化，且操作方便的處理方法，即磁脈沖處理和低頻交變磁場處理。研究結(jié)果表明，磁處理方法完全能夠達到上述目的［1］。
關(guān)于磁處理方法，國外學(xué)者已經(jīng)進行過一些零星的試驗性研究，并取得了一定成果。印度和美國的研究人員研究發(fā)現(xiàn)飽和或脈動磁場的作用對碳鋼的疲勞壽命是有利的；俄羅斯科學(xué)家則用磁方法對汽輪機葉片進行了處理，結(jié)果表明耐磨性能提高1.5~2倍；美國明尼蘇達州的Innovex公司還開發(fā)了一種脈動磁處理器用以處理不同材料的切削刀具，如碳鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金刀具，結(jié)果處理后的刀具壽命增加了20%～50％［2，3］。據(jù)認為其原因都是因為刀具中的殘余應(yīng)力產(chǎn)生了松馳的緣故。但是，對于磁處理方法，并無任何定量的研究結(jié)果，更未涉及磁處理過程的機理。因此，作者用高強度脈沖磁場和低頻交變磁場對預(yù)應(yīng)力試樣進行了處理。定量研究了磁處理參數(shù)和應(yīng)力降低之間的關(guān)系。并對引起應(yīng)力降低的微觀因素進行了觀察。本文著重探討低頻脈沖磁處理降低殘余應(yīng)力的微觀機理。
1 低頻脈沖磁處理試驗研究
圖1是中碳調(diào)質(zhì)鋼30CrMnSiA單向拉伸試樣經(jīng)低頻交變磁處理后應(yīng)力水平變化的結(jié)果。該試驗是通過一個脈沖MIG焊接電源和DT4純鐵Π型磁化器進行的。該電源可給出最大為350A的電流，其頻率在0.1~800Hz之間，事實上本試驗只采用5Hz的低頻。磁化器的磁導(dǎo)率μmax在6000~15000之間，飽和磁感應(yīng)強度Bs可達2.1T。30CrMnSiA試樣中的預(yù)應(yīng)力通過熱套法獲得。獲得的應(yīng)力及處理后應(yīng)力的變化由盲孔法測得［4］。圖1的結(jié)果表明，試樣中的殘余應(yīng)力在磁場 的作用下發(fā)生了降低， 而且是整個應(yīng)力曲線的下移，而不僅是應(yīng)力峰值的降低。應(yīng)力最大降低量達100MPa，其它試樣平均降低了約50MPa。
單向拉伸試樣中的應(yīng)力降低表明試樣內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力松馳的過程。其原因可能是在磁振動和微區(qū)的非均勻應(yīng)力相互作用下導(dǎo)致的非彈性變形累積的結(jié)果。而這種磁振動導(dǎo)致的非彈性應(yīng)變在試樣中發(fā)生的范圍是局部彌散分布的，所以試樣經(jīng)過低頻交變磁處理后，表現(xiàn)為各個水平的殘余應(yīng)力都有一定程度的降低，而不僅僅是高殘余應(yīng)力的下降。
2 材料磁處理前后微觀結(jié)構(gòu)觀察
為了理解磁場處理降低內(nèi)應(yīng)力的機制以達到充分利用的目的，采用JEM－200CX透射電鏡對磁處理前后材料中的微觀位錯結(jié)構(gòu)進行了觀察。首先對母材原始位錯結(jié)構(gòu)進行觀察；然后將試樣置于冷套底座上進行單向拉伸，用電鏡觀察拉伸后的試樣位錯結(jié)構(gòu)特征；接著對試樣進行磁處理，觀察試樣磁處理后的最終位錯結(jié)構(gòu)特征。圖2是30CrMnSiA鋼處理前后位錯結(jié)構(gòu)的變化情況對比。30CrMnSiA是一種中碳調(diào)質(zhì)鋼，除在析出物附近位錯較為集中外，其它部分位錯密度很低，如圖2a所示。經(jīng)過單向拉伸處理，試樣的位錯密度明顯升高，而且位錯集中于某些區(qū)域，形成了交替的高位錯密度區(qū)和低位錯密度區(qū)域，即所謂位錯胞結(jié)構(gòu)（圖2b）。而圖2c表明，在經(jīng)過磁處理后的試樣中，其明顯的胞壁結(jié)構(gòu)消失，位錯分布均勻化，整體位錯密度與處理前相比變化不大。
3 磁處理降低殘余應(yīng)力的微觀機理分析
透射電鏡分析結(jié)果表明，預(yù)拉伸鋼試樣中的位錯通過其所具有的某些電磁特性與外加脈沖磁場發(fā)生了相互作用，以至位錯開動，分布更加均勻，導(dǎo)致了局部塑性變形，從而引起了應(yīng)力松馳。這一變形已由激光云紋測量證實［5］。磁處理過程中觀察到試樣上發(fā)生約40μm的橫向整體收縮應(yīng)變。如果試樣兩端自由則橫向收縮意味著試樣縱向伸長。但事實上試樣縱向是拘束的，因此試樣內(nèi)的縱向內(nèi)應(yīng)力一定會降低以適應(yīng)該橫向應(yīng)變。這一結(jié)果也證實圖1中磁處理降低殘余應(yīng)力的試驗結(jié)果是可靠的，是由磁處理導(dǎo)致的塑性變形引起的。
該試驗結(jié)果可以從多個方面來加以說明。首先是強磁場對位錯運動的影響。通常，外加磁場對位錯脫離釘扎是有利的［6］；磁處理時運動的磁疇疇壁可以促使位錯越過障礙移動；其次在外加磁場的作用下，位錯之間交互作用的傾向降低，發(fā)生位錯反應(yīng)而產(chǎn)生位錯纏繞的可能性大大降低；同時材料微觀組織的不均勻性使得其在外加載荷作用時內(nèi)部微觀應(yīng)力分布不均勻，這種微觀應(yīng)力不均勻可達幾至十幾MPa［7］，這也是位錯運動的推動力�？傊�，磁處理過程促進了位錯的運動，由于位錯的分布特點，這種處理過程導(dǎo)致的位錯運動及后來的變形過程都是局部和彌散性的。
如果外應(yīng)力與磁場共同對位錯作用的激活能小于短程障礙的勢壘U0，則克服短程勢壘所需的激活能可表示為
U=Uo-t*bjd-BIH
式中:τ*為用來克服短程障礙的有效應(yīng)力；b為柏氏矢量；l和d分別為位錯的長度和擴展位錯的寬度；I為位錯在磁場中具有的動量；H為外磁場強度；β為結(jié)構(gòu)因子。它表明，位錯的激活能包含有熱激活項和與磁場相關(guān)的非熱激活項。材料的塑性變形行為與位錯的運動直接相關(guān)，因此，在磁場中也存在著熱激活和與磁場相關(guān)的非熱激活共同控制的塑性變形機制。事實上，塑性變形的能量正是由磁場直接提供的而不是磁處理造成的溫升提供的。作者對非鐵磁材料如鋁合金的磁處理試驗表明，盡管材料中有溫升，但沒有應(yīng)力降低的結(jié)果出現(xiàn)。
金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力從存在的范圍和形式來看可分為三類［8］，第一類是在整個構(gòu)件中自相平衡的宏觀應(yīng)力；第二類殘余應(yīng)力是在晶粒、晶界以及滑移面所包圍的體積內(nèi)相互平衡的力，是介觀尺度的；第三類是指在晶界或滑移面等附近的范圍內(nèi)，原子偏離平衡狀態(tài)而處于亞穩(wěn)平衡狀態(tài)造成的殘余畸變，是微觀尺度的。在磁處理過程中，伴隨著磁化，鐵磁材料中發(fā)生的一般物理變化有磁致伸縮現(xiàn)象，磁疇疇壁的移動和磁矩的轉(zhuǎn)動，磁疇越過阻礙或脫離釘扎移動，合并以至消失，使得材料內(nèi)部微區(qū)應(yīng)力狀態(tài)隨之也發(fā)生了變化。另外在不同晶粒間，由于已磁化軸的方向不同，磁疇的磁化方向沒有一定關(guān)系，而且由于各磁疇內(nèi)部磁感應(yīng)強度與磁化向量不同，使得磁致伸縮的方向與幅值也各不相同，由此在磁疇內(nèi)部和磁化之間存在復(fù)雜的拘束應(yīng)力與剪切應(yīng)力，這些應(yīng)力導(dǎo)致的塑性變形使得殘余應(yīng)力發(fā)生松馳。而第二和第三類殘余應(yīng)力發(fā)生松馳的可能性最大，因為試驗中并沒有觀察到宏觀滑移帶。上述的微區(qū)塑變機理都應(yīng)對應(yīng)力水平的降低有所貢獻，殘余應(yīng)力松馳應(yīng)是試樣中整體內(nèi)部彌散分布的微塑性變形造成的，而不是試樣中發(fā)生了宏觀塑性變形，因而其應(yīng)力下降特點是應(yīng)力分布曲線的整體下移，而不單單是應(yīng)力峰值的下降。
4 結(jié) 論
低頻脈沖磁處理方法對預(yù)拉伸和焊接試樣的殘余應(yīng)力降低都是有效的。透射電鏡觀察表明經(jīng)過磁處理后試樣中的位錯分布更加均勻。正是這種位錯分布的均勻化使得試樣中的殘余應(yīng)力降低。磁處理導(dǎo)致的位錯分布改變的分散性特點使它帶來的塑性變形也是分散性的，因此正如試驗結(jié)果顯示的那樣，應(yīng)力的降低特征是整個應(yīng)力曲線的下移，而不是像其它熱處理方法所表現(xiàn)的應(yīng)力峰值下降。
磁處理時發(fā)生的塑性變形從本質(zhì)上說應(yīng)該是在微觀尺度上的，因為沒有觀察到明顯的宏觀滑移帶。但是磁處理如何從微觀層次上通過磁化過程及位錯的交互作用達到宏觀應(yīng)力的松馳效果，還需從宏觀與微觀變形的關(guān)系方面進行更進一步的研究。作者將另外撰文描述提出的一種軟硬復(fù)合區(qū)機制。
參考文獻：
［1］羅湘軍.用磁場消除焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的研究［D］.北京:清華大學(xué)，1995.
［2］Knutton,Peter.Tool life grows in magnetic fields［J］.Machinery and Production Engineering,1989,(2):78~79.
［3］Yusef Jahmy, Tom Hare,Robert Tooke,et al.Effect of a pulsed magnetic treatment on the fatigue of low carbon steel［J］.Scripta Materialia,1998,38(9):1355~1358.
［4］唐慕堯.焊接測量技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1988.
［5］唐非.脈沖磁處理降低鋼材內(nèi)部殘余應(yīng)力研究［D］.北京:清華大學(xué)，1999.
［6］Sanichiro Yoshida.Direct observation of developed plastic deformation and its application to nondestructive testing［J］. Japanese Journal of Applied Physics, 1996, 35(7A):854~857.
［7］Mughrabi H.Dislocation wall and cell structures and long-range internal stresses in deformed metal crystals［J］.Acta Metall, 1983, 31(9):1367~1379.
［8］周如松.金屬物理（中冊）［M］.北京:高等教育出版社，1992.
作者簡介：
吳甦，男，1963年3月出生，工學(xué)博士，副教授。主要研究方向為材料焊接性、焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形、焊接過程的物理和數(shù)值模擬。主持完成科研項目10余項，發(fā)表論文30余篇。Email:wusu@tsinghua.edu.cn | 
當(dāng)前位置：
川