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低频交变磁处理降低钢材内应力的微观机理
 
更新时间:2009.04.12 浏览次数:
 

                           低频交变磁处理降低钢材内应力的微观机理

                  吴甦,赵海燕,鹿安理,方慧珍
                (清华大学 机械工程系,北京 100084)
                  (国家自然科学基金资助项目)

                                          
摘要:
磁场处理被许多研究者用于提高材料的力学性能并取得了一定效果。作者首次运用磁处理方法进行降低材料内应力的研究。结果表明,不同的处理方法,如高强磁脉冲处理和低频交变磁场处理都能够不同程度地降低材料内部存在的残余应力,而且其降低残余应力的方式与常规的热处理有本质的不同。本文定量研究了低频交变磁处理方法降低残余应力的程度、特点和工艺参数。通过透射电镜分析,着重观察了对30CrMnSiA进行磁处理时处理前后材料内部的位错运动规律。在经过磁处理后的试样中,其明显的胞壁结构消失,位错分布均匀化,整体位错密度与处理前相比变化不大。根据上述观察和宏观试验结果,对磁处理降低残余应力的特点和微观机理进行了分析讨论,认为磁场作用下的位错均匀化是磁处理降低残余应力的主要原因。
关键词:磁处理;内应力;位错;应力松驰
中图分类号: TG441.8
文献标识码: A
文章编号: 0253-360X(2002)01-09-03

0序言
  在机械加工、制造过程中,很多工艺过程都会在材料内部形成残余应力。材料内部的残余应力对工件的质量有着重要的影响,因而残余应力的控制与消除是材料加工领域的一个重要课题。迄今为止,热处理仍然是较广泛使用的降低内应力的方法,其中整体热处理是更为彻底的消除方法。但对于大型结构,采用整体消除应力回火,耗能高耗时长,而且很多情况下难以实施,故往往只采用局部热处理。但除了加热温度和时间外,局部热处理的效果还受到加热宽度、加热带内温度梯度、接头的复杂性等众多因素的影响,结果差异很大甚至出现新的高内应力区域。对某些高强钢进行焊后消除应力热处理时,还会导致再热裂纹和脆化。因此作者一直致力于研究一种能够有效降低残余应力,同时又不导致材料性能恶化,且操作方便的处理方法,即磁脉冲处理和低频交变磁场处理。研究结果表明,磁处理方法完全能够达到上述目的[1]。
  关于磁处理方法,国外学者已经进行过一些零星的试验性研究,并取得了一定成果。印度和美国的研究人员研究发现饱和或脉动磁场的作用对碳钢的疲劳寿命是有利的;俄罗斯科学家则用磁方法对汽轮机叶片进行了处理,结果表明耐磨性能提高1.5~2倍;美国明尼苏达州的Innovex公司还开发了一种脉动磁处理器用以处理不同材料的切削刀具,如碳钢、高速钢和硬质合金刀具,结果处理后的刀具寿命增加了20%~50%[2,3]。据认为其原因都是因为刀具中的残余应力产生了松驰的缘故。但是,对于磁处理方法,并无任何定量的研究结果,更未涉及磁处理过程的机理。因此,作者用高强度脉冲磁场和低频交变磁场对预应力试样进行了处理。定量研究了磁处理参数和应力降低之间的关系。并对引起应力降低的微观因素进行了观察。本文着重探讨低频脉冲磁处理降低残余应力的微观机理。

1 低频脉冲磁处理试验研究
  图1是中碳调质钢30CrMnSiA单向拉伸试样经低频交变磁处理后应力水平变化的结果。该试验是通过一个脉冲MIG焊接电源和DT4纯铁Π型磁化器进行的。该电源可给出最大为350A的电流,其频率在0.1~800Hz之间,事实上本试验只采用5Hz的低频。磁化器的磁导率μmax在6000~15000之间,饱和磁感应强度Bs可达2.1T。30CrMnSiA试样中的预应力通过热套法获得。获得的应力及处理后应力的变化由盲孔法测得[4]。图1的结果表明,试样中的残余应力在磁场 的作用下发生了降低, 而且是整个应力曲线的下移,而不仅是应力峰值的降低。应力最大降低量达100MPa,其它试样平均降低了约50MPa。
               

    单向拉伸试样中的应力降低表明试样内部发生了应力松驰的过程。其原因可能是在磁振动和微区的非均匀应力相互作用下导致的非弹性变形累积的结果。而这种磁振动导致的非弹性应变在试样中发生的范围是局部弥散分布的,所以试样经过低频交变磁处理后,表现为各个水平的残余应力都有一定程度的降低,而不仅仅是高残余应力的下降。
2 材料磁处理前后微观结构观察
  为了理解磁场处理降低内应力的机制以达到充分利用的目的,采用JEM-200CX透射电镜对磁处理前后材料中的微观位错结构进行了观察。首先对母材原始位错结构进行观察;然后将试样置于冷套底座上进行单向拉伸,用电镜观察拉伸后的试样位错结构特征;接着对试样进行磁处理,观察试样磁处理后的最终位错结构特征。图2是30CrMnSiA钢处理前后位错结构的变化情况对比。30CrMnSiA是一种中碳调质钢,除在析出物附近位错较为集中外,其它部分位错密度很低,如图2a所示。经过单向拉伸处理,试样的位错密度明显升高,而且位错集中于某些区域,形成了交替的高位错密度区和低位错密度区域,即所谓位错胞结构(图2b)。而图2c表明,在经过磁处理后的试样中,其明显的胞壁结构消失,位错分布均匀化,整体位错密度与处理前相比变化不大。

 

             

3 磁处理降低残余应力的微观机理分析
  透射电镜分析结果表明,预拉伸钢试样中的位错通过其所具有的某些电磁特性与外加脉冲磁场发生了相互作用,以至位错开动,分布更加均匀,导致了局部塑性变形,从而引起了应力松驰。这一变形已由激光云纹测量证实[5]。磁处理过程中观察到试样上发生约40μm的横向整体收缩应变。如果试样两端自由则横向收缩意味着试样纵向伸长。但事实上试样纵向是拘束的,因此试样内的纵向内应力一定会降低以适应该横向应变。这一结果也证实图1中磁处理降低残余应力的试验结果是可靠的,是由磁处理导致的塑性变形引起的。
  该试验结果可以从多个方面来加以说明。首先是强磁场对位错运动的影响。通常,外加磁场对位错脱离钉扎是有利的[6];磁处理时运动的磁畴畴壁可以促使位错越过障碍移动;其次在外加磁场的作用下,位错之间交互作用的倾向降低,发生位错反应而产生位错缠绕的可能性大大降低;同时材料微观组织的不均匀性使得其在外加载荷作用时内部微观应力分布不均匀,这种微观应力不均匀可达几至十几MPa[7],这也是位错运动的推动力。总之,磁处理过程促进了位错的运动,由于位错的分布特点,这种处理过程导致的位错运动及后来的变形过程都是局部和弥散性的。
  如果外应力与磁场共同对位错作用的激活能小于短程障碍的势垒U0,则克服短程势垒所需的激活能可表示为
                                  U=Uo-t*bjd-BIH
  式中:τ*为用来克服短程障碍的有效应力;b为柏氏矢量;l和d分别为位错的长度和扩展位错的宽度;I为位错在磁场中具有的动量;H为外磁场强度;β为结构因子。它表明,位错的激活能包含有热激活项和与磁场相关的非热激活项。材料的塑性变形行为与位错的运动直接相关,因此,在磁场中也存在着热激活和与磁场相关的非热激活共同控制的塑性变形机制。事实上,塑性变形的能量正是由磁场直接提供的而不是磁处理造成的温升提供的。作者对非铁磁材料如铝合金的磁处理试验表明,尽管材料中有温升,但没有应力降低的结果出现。
  金属内部的残余应力从存在的范围和形式来看可分为三类[8],第一类是在整个构件中自相平衡的宏观应力;第二类残余应力是在晶粒、晶界以及滑移面所包围的体积内相互平衡的力,是介观尺度的;第三类是指在晶界或滑移面等附近的范围内,原子偏离平衡状态而处于亚稳平衡状态造成的残余畸变,是微观尺度的。在磁处理过程中,伴随着磁化,铁磁材料中发生的一般物理变化有磁致伸缩现象,磁畴畴壁的移动和磁矩的转动,磁畴越过阻碍或脱离钉扎移动,合并以至消失,使得材料内部微区应力状态随之也发生了变化。另外在不同晶粒间,由于已磁化轴的方向不同,磁畴的磁化方向没有一定关系,而且由于各磁畴内部磁感应强度与磁化向量不同,使得磁致伸缩的方向与幅值也各不相同,由此在磁畴内部和磁化之间存在复杂的拘束应力与剪切应力,这些应力导致的塑性变形使得残余应力发生松驰。而第二和第三类残余应力发生松驰的可能性最大,因为试验中并没有观察到宏观滑移带。上述的微区塑变机理都应对应力水平的降低有所贡献,残余应力松驰应是试样中整体内部弥散分布的微塑性变形造成的,而不是试样中发生了宏观塑性变形,因而其应力下降特点是应力分布曲线的整体下移,而不单单是应力峰值的下降。
4 结 论
  低频脉冲磁处理方法对预拉伸和焊接试样的残余应力降低都是有效的。透射电镜观察表明经过磁处理后试样中的位错分布更加均匀。正是这种位错分布的均匀化使得试样中的残余应力降低。磁处理导致的位错分布改变的分散性特点使它带来的塑性变形也是分散性的,因此正如试验结果显示的那样,应力的降低特征是整个应力曲线的下移,而不是像其它热处理方法所表现的应力峰值下降。
  磁处理时发生的塑性变形从本质上说应该是在微观尺度上的,因为没有观察到明显的宏观滑移带。但是磁处理如何从微观层次上通过磁化过程及位错的交互作用达到宏观应力的松驰效果,还需从宏观与微观变形的关系方面进行更进一步的研究。作者将另外撰文描述提出的一种软硬复合区机制。
参考文献:
[1]罗湘军.用磁场消除焊接结构中残余应力的研究[D].北京:清华大学,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]唐慕尧.焊接测量技术[M].北京:机械工业出版社,1988.
[5]唐非.脉冲磁处理降低钢材内部残余应力研究[D].北京:清华大学,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.金属物理(中册)[M].北京:高等教育出版社,1992.

 

作者简介:
吴甦,男,1963年3月出生,工学博士,副教授。主要研究方向为材料焊接性、焊接结构的应力和变形、焊接过程的物理和数值模拟。主持完成科研项目10余项,发表论文30余篇。Email:wusu@tsinghua.edu.cn

 
   
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