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吳甦，趙海燕，鹿安理，方慧珍
（清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）
�。▏�(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(yùn)用磁處理方法進(jìn)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(qiáng)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(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(diǎn)和工藝參數(shù)。通過(guò)透射電鏡分析，著重觀察了對(duì)30CrMnSiA進(jìn)行磁處理時(shí)處理前后材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在經(jīng)過(guò)磁處理后的試樣中，其明顯的胞壁結(jié)構(gòu)消失，位錯(cuò)分布均勻化，整體位錯(cuò)密度與處理前相比變化不大。根據(jù)上述觀察和宏觀試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)磁處理降低殘余應(yīng)力的特點(diǎn)和微觀機(jī)理進(jìn)行了分析討論，認(rèn)為磁場(chǎng)作用下的位錯(cuò)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(cuò)；應(yīng)力松馳
中圖分類號(hào)： TG441.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0253-360X(2002)01-09-03
0序言
在機(jī)械加工、制造過(guò)程中，很多工藝過(guò)程都會(huì)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(duì)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(gè)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(duì)于大型結(jié)構(gòu)，采用整體消除應(yīng)力回火，耗能高耗時(shí)長(zhǎng)，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(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(duì)某些高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理時(shí)，還會(huì)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(shí)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(chǎng)處理。研究結(jié)果表明，磁處理方法完全能夠達(dá)到上述目的［1］。
關(guān)于磁處理方法，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過(guò)一些零星的試驗(yàn)性研究，并取得了一定成果。印度和美國(guó)的研究人員研究發(fā)現(xiàn)飽和或脈動(dòng)磁場(chǎng)的作用對(duì)碳鋼的疲勞壽命是有利的；俄羅斯科學(xué)家則用磁方法對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行了處理，結(jié)果表明耐磨性能提高1.5~2倍；美國(guó)明尼蘇達(dá)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(jié)果處理后的刀具壽命增加了20%～50％［2，3］。據(jù)認(rèn)為其原因都是因?yàn)榈毒咧械臍堄鄳?yīng)力產(chǎn)生了松馳的緣故。但是，對(duì)于磁處理方法，并無(wú)任何定量的研究結(jié)果，更未涉及磁處理過(guò)程的機(jī)理。因此，作者用高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)和低頻交變磁場(chǎng)對(duì)預(yù)應(yīng)力試樣進(jìn)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(duì)引起應(yīng)力降低的微觀因素進(jìn)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(jī)理。
1 低頻脈沖磁處理試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)度Bs可達(dá)2.1T。30CrMnSiA試樣中的預(yù)應(yīng)力通過(guò)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(cè)得［4］。圖1的結(jié)果表明，試樣中的殘余應(yīng)力在磁場(chǎng) 的作用下發(fā)生了降低， 而且是整個(gè)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(dá)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(guò)程。其原因可能是在磁振動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致的非彈性應(yīng)變?cè)谠嚇又邪l(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(xiàn)為各個(gè)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(chǎng)處理降低內(nèi)應(yīng)力的機(jī)制以達(dá)到充分利用的目的，采用JEM－200CX透射電鏡對(duì)磁處理前后材料中的微觀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。首先對(duì)母材原始位錯(cuò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察；然后將試樣置于冷套底座上進(jìn)行單向拉伸，用電鏡觀察拉伸后的試樣位錯(cuò)結(jié)構(gòu)特征；接著對(duì)試樣進(jìn)行磁處理，觀察試樣磁處理后的最終位錯(cuò)結(jié)構(gòu)特征。圖2是30CrMnSiA鋼處理前后位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的變化情況對(duì)比。30CrMnSiA是一種中碳調(diào)質(zhì)鋼，除在析出物附近位錯(cuò)較為集中外，其它部分位錯(cuò)密度很低，如圖2a所示。經(jīng)過(guò)單向拉伸處理，試樣的位錯(cuò)密度明顯升高，而且位錯(cuò)集中于某些區(qū)域，形成了交替的高位錯(cuò)密度區(qū)和低位錯(cuò)密度區(qū)域，即所謂位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)消失，位錯(cuò)分布均勻化，整體位錯(cuò)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(jī)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(cuò)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(cuò)開(kāi)動(dòng)，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(cè)量證實(shí)［5］。磁處理過(guò)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(zhǎng)。但事實(shí)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(huì)降低以適應(yīng)該橫向應(yīng)變。這一結(jié)果也證實(shí)圖1中磁處理降低殘余應(yīng)力的試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果可以從多個(gè)方面來(lái)加以說(shuō)明。首先是強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響。通常，外加磁場(chǎng)對(duì)位錯(cuò)脫離釘扎是有利的［6］；磁處理時(shí)運(yùn)動(dòng)的磁疇疇壁可以促使位錯(cuò)越過(guò)障礙移動(dòng)；其次在外加磁場(chǎng)的作用下，位錯(cuò)之間交互作用的傾向降低，發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)而產(chǎn)生位錯(cuò)纏繞的可能性大大降低；同時(shí)材料微觀組織的不均勻性使得其在外加載荷作用時(shí)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(dá)幾至十幾MPa［7］，這也是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力�？傊盘幚磉^(guò)程促進(jìn)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，由于位錯(cuò)的分布特點(diǎn)，這種處理過(guò)程導(dǎo)致的位錯(cuò)運(yùn)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(yīng)力與磁場(chǎng)共同對(duì)位錯(cuò)作用的激活能小于短程障礙的勢(shì)壘U0，則克服短程勢(shì)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(yīng)力；b為柏氏矢量；l和d分別為位錯(cuò)的長(zhǎng)度和擴(kuò)展位錯(cuò)的寬度；I為位錯(cuò)在磁場(chǎng)中具有的動(dòng)量；H為外磁場(chǎng)強(qiáng)度；β為結(jié)構(gòu)因子。它表明，位錯(cuò)的激活能包含有熱激活項(xiàng)和與磁場(chǎng)相關(guān)的非熱激活項(xiàng)。材料的塑性變形行為與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)，因此，在磁場(chǎng)中也存在著熱激活和與磁場(chǎng)相關(guān)的非熱激活共同控制的塑性變形機(jī)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(duì)非鐵磁材料如鋁合金的磁處理試驗(yàn)表明，盡管材料中有溫升，但沒(méi)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(lái)看可分為三類［8］，第一類是在整個(gè)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(guò)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(dòng)和磁矩的轉(zhuǎn)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(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(méi)有一定關(guān)系，而且由于各磁疇內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)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?yàn)樵囼?yàn)中并沒(méi)有觀察到宏觀滑移帶。上述的微區(qū)塑變機(jī)理都應(yīng)對(duì)應(yīng)力水平的降低有所貢獻(xiàn)，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(diǎn)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(duì)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(guò)磁處理后試樣中的位錯(cuò)分布更加均勻。正是這種位錯(cuò)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(cuò)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(yàn)結(jié)果顯示的那樣，應(yīng)力的降低特征是整個(gè)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(shí)發(fā)生的塑性變形從本質(zhì)上說(shuō)應(yīng)該是在微觀尺度上的，因?yàn)闆](méi)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(guò)磁化過(guò)程及位錯(cuò)的交互作用達(dá)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(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(fù)合區(qū)機(jī)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?yàn)椴牧虾附有�、焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形、焊接過(guò)程的物理和數(shù)值模擬。主持完成科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇。Email:wusu@tsinghua.edu.cn | 
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