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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）
�。▏易匀豢茖W(xué)基金資助項目）
摘要：磁場(chǎng)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(jìn)行降低材料內應力的研究。結果表明，不同的處理方法，如高強磁脈沖處理和低頻交變磁場(chǎng)處理都能夠不同程度地降低材料內部存在的殘余應力，而且其降低殘余應力的方式與常規的熱處理有本質(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力的程度、特點(diǎn)和工藝參數。通過(guò)透射電鏡分析，著(zhù)重觀(guān)察了對30CrMnSiA進(jìn)行磁處理時(shí)處理前后材料內部的位錯運動(dòng)規律。在經(jīng)過(guò)磁處理后的試樣中，其明顯的胞壁結構消失，位錯分布均勻化，整體位錯密度與處理前相比變化不大。根據上述觀(guān)察和宏觀(guān)試驗結果，對磁處理降低殘余應力的特點(diǎn)和微觀(guān)機理進(jìn)行了分析討論，認為磁場(chǎng)作用下的位錯均勻化是磁處理降低殘余應力的主要原因。
關(guān)鍵詞：磁處理；內應力；位錯；應力松馳
中圖分類(lèi)號： TG441.8
文獻標識碼： A
文章編號： 0253-360X(2002)01-09-03
0序言
在機械加工、制造過(guò)程中，很多工藝過(guò)程都會(huì )在材料內部形成殘余應力。材料內部的殘余應力對工件的質(zhì)量有著(zhù)重要的影響，因而殘余應力的控制與消除是材料加工領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。迄今為止，熱處理仍然是較廣泛使用的降低內應力的方法，其中整體熱處理是更為徹底的消除方法。但對于大型結構，采用整體消除應力回火，耗能高耗時(shí)長(cháng)，而且很多情況下難以實(shí)施，故往往只采用局部熱處理。但除了加熱溫度和時(shí)間外，局部熱處理的效果還受到加熱寬度、加熱帶內溫度梯度、接頭的復雜性等眾多因素的影響，結果差異很大甚至出現新的高內應力區域。對某些高強鋼進(jìn)行焊后消除應力熱處理時(shí)，還會(huì )導致再熱裂紋和脆化。因此作者一直致力于研究一種能夠有效降低殘余應力，同時(shí)又不導致材料性能惡化，且操作方便的處理方法，即磁脈沖處理和低頻交變磁場(chǎng)處理。研究結果表明，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(jìn)行過(guò)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)現飽和或脈動(dòng)磁場(chǎng)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(jìn)行了處理，結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(kāi)發(fā)了一種脈動(dòng)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，結果處理后的刀具壽命增加了20%～50％［2，3］。據認為其原因都是因為刀具中的殘余應力產(chǎn)生了松馳的緣故。但是，對于磁處理方法，并無(wú)任何定量的研究結果，更未涉及磁處理過(guò)程的機理。因此，作者用高強度脈沖磁場(chǎng)和低頻交變磁場(chǎng)對預應力試樣進(jìn)行了處理。定量研究了磁處理參數和應力降低之間的關(guān)系。并對引起應力降低的微觀(guān)因素進(jìn)行了觀(guān)察。本文著(zhù)重探討低頻脈沖磁處理降低殘余應力的微觀(guān)機理。
1 低頻脈沖磁處理試驗研究
圖1是中碳調質(zhì)鋼30CrMnSiA單向拉伸試樣經(jīng)低頻交變磁處理后應力水平變化的結果。該試驗是通過(guò)一個(gè)脈沖MIG焊接電源和DT4純鐵Π型磁化器進(jìn)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(shí)上本試驗只采用5Hz的低頻。磁化器的磁導率μmax在6000~15000之間，飽和磁感應強度Bs可達2.1T。30CrMnSiA試樣中的預應力通過(guò)熱套法獲得。獲得的應力及處理后應力的變化由盲孔法測得［4］。圖1的結果表明，試樣中的殘余應力在磁場(chǎng) 的作用下發(fā)生了降低， 而且是整個(gè)應力曲線(xiàn)的下移，而不僅是應力峰值的降低。應力最大降低量達100MPa，其它試樣平均降低了約50MPa。
單向拉伸試樣中的應力降低表明試樣內部發(fā)生了應力松馳的過(guò)程。其原因可能是在磁振動(dòng)和微區的非均勻應力相互作用下導致的非彈性變形累積的結果。而這種磁振動(dòng)導致的非彈性應變在試樣中發(fā)生的范圍是局部彌散分布的，所以試樣經(jīng)過(guò)低頻交變磁處理后，表現為各個(gè)水平的殘余應力都有一定程度的降低，而不僅僅是高殘余應力的下降。
2 材料磁處理前后微觀(guān)結構觀(guān)察
為了理解磁場(chǎng)處理降低內應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(guān)位錯結構進(jìn)行了觀(guān)察。首先對母材原始位錯結構進(jìn)行觀(guān)察；然后將試樣置于冷套底座上進(jìn)行單向拉伸，用電鏡觀(guān)察拉伸后的試樣位錯結構特征；接著(zhù)對試樣進(jìn)行磁處理，觀(guān)察試樣磁處理后的最終位錯結構特征。圖2是30CrMnSiA鋼處理前后位錯結構的變化情況對比。30CrMnSiA是一種中碳調質(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(guò)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域，形成了交替的高位錯密度區和低位錯密度區域，即所謂位錯胞結構（圖2b）。而圖2c表明，在經(jīng)過(guò)磁處理后的試樣中，其明顯的胞壁結構消失，位錯分布均勻化，整體位錯密度與處理前相比變化不大。
3 磁處理降低殘余應力的微觀(guān)機理分析
透射電鏡分析結果表明，預拉伸鋼試樣中的位錯通過(guò)其所具有的某些電磁特性與外加脈沖磁場(chǎng)發(fā)生了相互作用，以至位錯開(kāi)動(dòng)，分布更加均勻，導致了局部塑性變形，從而引起了應力松馳。這一變形已由激光云紋測量證實(shí)［5］。磁處理過(guò)程中觀(guān)察到試樣上發(fā)生約40μm的橫向整體收縮應變。如果試樣兩端自由則橫向收縮意味著(zhù)試樣縱向伸長(cháng)。但事實(shí)上試樣縱向是拘束的，因此試樣內的縱向內應力一定會(huì )降低以適應該橫向應變。這一結果也證實(shí)圖1中磁處理降低殘余應力的試驗結果是可靠的，是由磁處理導致的塑性變形引起的。
該試驗結果可以從多個(gè)方面來(lái)加以說(shuō)明。首先是強磁場(chǎng)對位錯運動(dòng)的影響。通常，外加磁場(chǎng)對位錯脫離釘扎是有利的［6］；磁處理時(shí)運動(dòng)的磁疇疇壁可以促使位錯越過(guò)障礙移動(dòng)；其次在外加磁場(chǎng)的作用下，位錯之間交互作用的傾向降低，發(fā)生位錯反應而產(chǎn)生位錯纏繞的可能性大大降低；同時(shí)材料微觀(guān)組織的不均勻性使得其在外加載荷作用時(shí)內部微觀(guān)應力分布不均勻，這種微觀(guān)應力不均勻可達幾至十幾MPa［7］，這也是位錯運動(dòng)的推動(dòng)力�？傊�，磁處理過(guò)程促進(jìn)了位錯的運動(dòng)，由于位錯的分布特點(diǎn)，這種處理過(guò)程導致的位錯運動(dòng)及后來(lái)的變形過(guò)程都是局部和彌散性的。
如果外應力與磁場(chǎng)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(lái)克服短程障礙的有效應力；b為柏氏矢量；l和d分別為位錯的長(cháng)度和擴展位錯的寬度；I為位錯在磁場(chǎng)中具有的動(dòng)量；H為外磁場(chǎng)強度；β為結構因子。它表明，位錯的激活能包含有熱激活項和與磁場(chǎng)相關(guān)的非熱激活項。材料的塑性變形行為與位錯的運動(dòng)直接相關(guān)，因此，在磁場(chǎng)中也存在著(zhù)熱激活和與磁場(chǎng)相關(guān)的非熱激活共同控制的塑性變形機制。事實(shí)上，塑性變形的能量正是由磁場(chǎng)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(méi)有應力降低的結果出現。
金屬內部的殘余應力從存在的范圍和形式來(lái)看可分為三類(lèi)［8］，第一類(lèi)是在整個(gè)構件中自相平衡的宏觀(guān)應力；第二類(lèi)殘余應力是在晶粒、晶界以及滑移面所包圍的體積內相互平衡的力，是介觀(guān)尺度的；第三類(lèi)是指在晶界或滑移面等附近的范圍內，原子偏離平衡狀態(tài)而處于亞穩平衡狀態(tài)造成的殘余畸變，是微觀(guān)尺度的。在磁處理過(guò)程中，伴隨著(zhù)磁化，鐵磁材料中發(fā)生的一般物理變化有磁致伸縮現象，磁疇疇壁的移動(dòng)和磁矩的轉動(dòng)，磁疇越過(guò)阻礙或脫離釘扎移動(dòng)，合并以至消失，使得材料內部微區應力狀態(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(méi)有一定關(guān)系，而且由于各磁疇內部磁感應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，由此在磁疇內部和磁化之間存在復雜的拘束應力與剪切應力，這些應力導致的塑性變形使得殘余應力發(fā)生松馳。而第二和第三類(lèi)殘余應力發(fā)生松馳的可能性最大，因為試驗中并沒(méi)有觀(guān)察到宏觀(guān)滑移帶。上述的微區塑變機理都應對應力水平的降低有所貢獻，殘余應力松馳應是試樣中整體內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(guān)塑性變形，因而其應力下降特點(diǎn)是應力分布曲線(xiàn)的整體下移，而不單單是應力峰值的下降。
4 結 論
低頻脈沖磁處理方法對預拉伸和焊接試樣的殘余應力降低都是有效的。透射電鏡觀(guān)察表明經(jīng)過(guò)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力降低。磁處理導致的位錯分布改變的分散性特點(diǎn)使它帶來(lái)的塑性變形也是分散性的，因此正如試驗結果顯示的那樣，應力的降低特征是整個(gè)應力曲線(xiàn)的下移，而不是像其它熱處理方法所表現的應力峰值下降。
磁處理時(shí)發(fā)生的塑性變形從本質(zhì)上說(shuō)應該是在微觀(guān)尺度上的，因為沒(méi)有觀(guān)察到明顯的宏觀(guān)滑移帶。但是磁處理如何從微觀(guān)層次上通過(guò)磁化過(guò)程及位錯的交互作用達到宏觀(guān)應力的松馳效果，還需從宏觀(guān)與微觀(guān)變形的關(guān)系方面進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。作者將另外撰文描述提出的一種軟硬復合區機制。
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作者簡(jiǎn)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、焊接結構的應力和變形、焊接過(guò)程的物理和數值模擬。主持完成科研項目10余項，發(fā)表論文30余篇。Email:wusu@tsinghua.edu.cn | 
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