1.
2.
3.
采用脈沖磁場對珠光體態和回火馬氏體態45CrNiMoVA鋼分別進行了磁化處理,基于納米壓痕實驗結果,分析了脈沖磁處理對殘余應力、硬度和彈性模量的影響規律;基于磁滯回線的測量和磁力顯微鏡的觀察結果,分析了脈沖磁處理對磁疇微觀組織結構的影響。結果表明,脈沖磁處理能夠引起試樣表面殘余壓應力增加;脈沖磁處理后珠光體態和回火馬氏體態45CrNiMoVA鋼硬度分別增加1.85%和1.84%;脈沖磁處理對珠光體態下的彈性模量影響較小,但對回火馬氏體態下的彈性模量影響較大,脈沖磁處理后回火馬氏體態的彈性模量增加4.48%;磁化過程中,磁疇運動引起微區材料的應力應變是導致材料力學性能強化的主要機制。
關鍵詞:
主動運用磁、電、熱、聲等高密度能量場調控材料的力學行為是突破當前先進制造技術指標的重要方法[1,2]。其中,利用磁場調控材料力學行為,在磁場輔助加工/成形、刀具磁處理強化、結構損傷修復/延壽等方面表現出良好的應用前景,是一種綠色、環保的制造方法。
磁場輔助材料加工能夠降低刀具磨損,減小工件材料變形阻力。Azhiri等[3]發現磁場輔助車削AISI D2鋼能夠改善加工表面完整性,實現表面粗糙度降低、變質層厚度減小、表層微觀組織結構優化的優良效果。El Mansori等[4]對比了鐵磁性刀具和非鐵磁性刀具在干切削鐵磁性碳鋼過程中磨損量受磁場的影響,證明了磁場輔助切削能夠增加刀具的抗磨損性。Dehghani等[5]研究了30CrNiMo8合金鋼磁場輔助切削中刀具磨損和切削力的變化,發現磁場導致刀具磨損降低94%,切削力減小100 N,認為磁場促進了切削區域材料的位錯運動,增加了材料的變形能力。Muju和Ghosh[6]指出外磁場對變形體的作用增強了位錯的遷移率,從而提高了2個摩擦固體中磁導率較高的固體的磨損率,揭示了磁場如何影響兩接觸體之間的復雜作用機理。
磁處理能夠使材料產生強化效果,提升疲勞壽命。Miller[7]和Nikiforov等[8]分別證實了磁處理后刀具壽命提高175%,耐磨性提高1.8~2倍。?elik等[9]研究了磁處理對AISI 4140鋼疲勞壽命的影響,結果表明,在疲勞裂紋萌生階段,外加磁場使磁疇規則取向和分布導致滑移帶的形成推遲,提高了疲勞壽命。Kida等[10]對中碳低合金鋼試樣疲勞裂紋尖端區域進行磁化,發現磁場變化與塑性變形區有很強的相關性。Fahmy等[11]發現脈沖磁場施加在低碳鋼試樣上能夠增加其疲勞壽命(可能還有疲勞極限),提出疲勞壽命的提高是由于外磁場對磁疇的影響,進而對位錯活動的影響,最終導致裂紋萌生的延遲。Shao等[12]發現脈沖磁處理后合金鋼的接觸疲勞壽命提高了42.11%,認為在脈沖磁場作用下,位錯、析出物和磁疇的微觀結構變得更加均勻。許擎棟等[13]分析了脈沖磁場處理后位錯分布更加均勻的原因是:脈沖磁場引起位錯釘扎處的電子能態發生轉變,使釘扎處空位或雜質原子易于移動。脈沖磁場處理能夠消除材料內有害的殘余拉應力[12,14~16],這也有利于結構件疲勞壽命提升。
總結以上研究可以發現,在合理的磁處理條件下,材料的變形、損傷和斷裂機制會受到磁場的影響,原有的應力-應變關系發生改變,宏觀強度、硬度和殘余應力發生變化,進而影響摩擦磨損、疲勞斷裂等性能。超高強度鋼45CrNiMoVA在高承載結構件中有廣泛應用,其加工損傷、疲勞斷裂問題嚴重影響裝備的使用安全。為進一步挖掘45CrNiMoVA鋼結構件抗疲勞性能提升的潛力,揭示其力學性能受磁場的影響作用規律,對于指導其抗疲勞加工具有重要意義,而目前相關研究鮮有報道。本工作采用脈沖磁場對不同組織狀態下的45CrNiMoVA鋼進行磁化處理,基于納米壓痕實驗結果,分析了脈沖磁場處理對殘余應力、硬度和彈性模量的影響規律,基于磁疇運動理論揭示了脈沖磁場處理強化作用機理。
試樣材料為超高強度鋼45CrNiMoVA,測得其元素含量(質量分數,%)為:Ni 1.4,Mo 1.0,Cr 0.9,Si 0.9,C 0.42,Mn 0.6,V 0.2,Fe余量。其中,鐵磁性元素Fe和Ni是引起該材料磁場響應的主要元素。低溫回火后試樣材料的力學性能參數[17]為:抗拉強度(
圖1不同熱處理條件下45CrNiMoVA鋼的微觀組織
(a) pearlite (P), annealed
(b) tempered martensite (TM)
Fig.1The microstructures of 45CrNiMoVA steel under different heat treatment conditions
從相同直徑、2種熱處理條件(退火態和淬火+回火態)下的45CrNiMoVA鋼棒料(相近區域,以保證組織均勻性)上分別切割2塊試樣(尺寸為10 mm × 8 mm × 6 mm),將試樣鑲嵌,表面打磨、拋光,干燥備用。磁化處理實驗在自行搭建的脈沖磁場磁化處理實驗平臺上進行,設備結構示意圖如圖2所示,氣隙間距可調,可產生0~1.7 T連續可調脈沖磁場,采用CH-1600高精度Gauss計測量磁場強度。本次實驗采用的脈沖磁化處理參數為:正弦波、頻率10 Hz、磁場強度1 T和磁化處理時間20 min。相同的磁化參數下分別對珠光體態試樣1和回火馬氏體態試樣3進行磁化處理,試樣2和試樣4分別為相應的對照組,磁化處理過程中脈沖磁場方向垂直于試樣拋光面,表1為實驗方案。
圖2脈沖磁化處理設備結構示意圖
Fig.2Structure diagram of pulse magnetization processing equipment
表145CrNiMoVA鋼脈沖磁化處理實驗方案
Table 1
采用Nano Indenter XP納米壓痕儀分別對試樣進行力學性能測試,Berkovich壓頭,恒定應變率0.05 s-1加載,峰值保載時間10 s,壓入深度2000 nm,每個試樣壓5個點,取平均值。圖3所示為典型的納米壓痕載荷-位移曲線,基于最大載荷(
圖3典型納米壓痕載荷-位移曲線及重要的加載/卸載參數示意圖
Fig.3Typical nanoindentation load-displacement curve (a) and important parameters (b) (h—displacement,P—loading,
其中,
通過X-350型X射線衍射儀(XRD)對磁處理前后試樣表面殘余應力進行檢測,參數包含:傾斜固定ψ法(ψ為試樣表面法線與衍射晶面法線的夾角),交相關法定峰,靶材CrKα,ψ角為0°和45°,衍射晶面(211),管電壓20 kV,管電流5 mA,掃描范圍145°~168°,步距0.2°。采用MPMS-XL-7磁學性質測量系統測量45CrNiMoVA鋼材料的磁滯回線(試樣尺寸為直徑2 mm、厚2 mm),以定量分析其磁化性能。采用Dimension FastScan型磁力顯微鏡(MFM)對45CrNiMoVA鋼試樣表面磁疇結構形貌進行觀察,掃描范圍20 μm × 20 μm,掃描速率0.503 Hz,掃描時探針抬起距離測試表面的高度為120 nm。
納米壓痕載荷-位移曲線可以反映材料的殘余應力狀況。45CrNiMoVA鋼在不同組織狀態下的納米壓痕載荷-位移曲線如圖4所示,相比于未磁化處理的試樣,磁化處理后試樣的載荷-位移曲線發生向上的偏移,載荷最大值Pmax增加。根據Suresh和Giannakopoulos[21]對壓痕過程中殘余應力的分析,材料殘余應力對載荷-位移曲線的影響可以用圖5表示,在固定壓入深度為h的條件下,材料壓入區域殘余拉應力的釋放會導致載荷-位移曲線從X到Y的變化,接觸力從P1到P2增大;而如果材料壓入區域帶有殘余壓應力,則會出現載荷-位移曲線從Z到Y的變化,接觸力從P3到P2減小。基于X射線表面殘余應力測量結果(圖6),珠光體態和回火馬氏體態試樣磁化處理前表面分別為殘余壓應力,得出磁化處理后珠光體態和回火馬氏體態試樣的載荷-位移曲線分別向上偏移的原因是磁化處理導致45CrNiMoVA鋼試樣表面殘余壓應力變大。
圖4磁化處理前后45CrNiMoVA鋼的納米壓痕加載-位移曲線
(a) pearlite
(b) tempered martensite
Fig.4Nanoindentation curves of magnetized and unmagnetized 45CrNiMoVA steels
圖5殘余應力對納米壓痕載荷-位移曲線的影響規律
Fig.5The influence of residual stress (
圖6磁化處理前后45CrNiMoVA鋼表面殘余應力的變化
Fig.6The surface residual stress changes of magnetized and unmagnetized 45CrNiMoVA steels
磁化處理導致試樣納米壓痕尺寸減小,以未磁化處理試樣的納米壓痕
表2基于納米壓痕曲線的殘余應力計算結果
Table 2
殘余應力的增加表明材料微區不均勻性增加,研究[16,22]認為磁場對位錯的作用是導致材料內部均勻性變化的原因。羅丞等[16]認為脈沖磁場對材料內殘余應力的影響分為2個階段,分別是位錯開動和位錯增殖,位錯開動導致殘余應力減小,位錯增殖導致殘余應力增加。繆霞等[22]也認為磁處理會導致位錯增殖,引起殘余應力變化。另一種觀點[15,23]認為脈沖磁場導致磁致伸縮,類似振動時效,引發應力松弛,形成殘余應力釋放的效果,磁致振動與殘余應力存在耦合效應,其微觀作用機制仍然是磁場對位錯運動的影響。因此,脈沖磁化處理后45CrNiMoVA鋼表面殘余壓應力增加的原因很可能是位錯增殖的結果。
圖7所示為磁化處理分別對珠光體態和回火馬氏體態45CrNiMoVA鋼硬度的影響。相比于未磁化處理試樣,磁化處理后的珠光體態和回火馬氏體態試樣硬度分別增加了1.85%和1.84%,2種組織狀態下的硬度受磁處理影響差別不大。
圖7磁化處理對45CrNiMoVA鋼硬度的影響
(a) pearlite
(b) tempered martensite
Fig.7Changes of hardness of magnetized and unmagnetized 45CrNiMoVA steels
磁化處理導致材料硬度增加,目前主要有3種解釋:一是磁誘導馬氏體相變理論[24],在馬氏體相變臨界溫度附近,磁場能夠提供額外的相變驅動力,促使馬氏體相變提前發生,馬氏體相的增加導致硬度增加。磁場引起的馬氏體相變溫度改變(
式中,
式中,
圖8所示為磁化處理對45CrNiMoVA鋼彈性模量的影響。磁化處理導致珠光體態45CrNiMoVA鋼彈性模量減小0.63%,而回火馬氏體態下的彈性模量增加4.48%,可見2種組織狀態下45CrNiMoVA鋼彈性模量受磁場的影響不同,考慮實驗誤差的影響,磁處理對珠光體態下的彈性模量影響較小,而對回火馬氏體態下的彈性模量影響較大。
圖8磁化處理對45CrNiMoVA鋼彈性模量的影響
(a) pearlite
(b) tempered martensite
Fig.8Changes of elastic modulus of magnetized and unmagnetized 45CrNiMoVA steels
已有研究[31~33]表明,磁致伸縮效應可能是彈性模量變化的主要原因。Varga等[31]研究了特殊磁彈性體材料,發現外加磁場可以提高磁彈性體的彈性模量,磁致應變引起的應變能密度變化是彈性模量變化的主要原因,這種材料特性在彈性體軸承和減振器方面有重要的應用潛力。Zheng等[32]在過共晶合金退火過程中施加高能靜磁場,發現彈性模量大幅增加,但這是磁熱力耦合的作用過程,很難解釋為磁場誘發彈性模量增加。彈性模量受外部磁場的影響變化反映出材料的磁致伸縮性能,磁場中材料的彈性變形來自2部分[33]:純彈性應變
式中,
45CrNiMoVA鋼材料的磁性能和分析如圖9所示,脈沖磁處理前后表面磁疇結構形貌如圖10所示。由圖9a磁滯回線測量結果可見,當外加磁場強度H達到0.6 T時,45CrNiMoVA鋼磁化強度(M)達到0.025 T,基本達到飽和狀態,軟磁性特征明顯,矯頑力幾乎為0;珠光體態和回火馬氏體態的磁滯回線基本保持一致,證明組織狀態對其磁化性能沒有明顯影響。磁滯回線面積幾乎為0,表明45CrNiMoVA鋼磁化過程中的磁滯損耗很小,即其“磁致熱效應”可以忽略。
圖945CrNiMoVA鋼的磁性能及分析
(a) measurement results of hysteresis loop
(b) schematic diagram of domain motion in different magnetization stages
Fig.9Magnetic properties and analysis of 45CrNiMoVA steel
圖10磁化處理對45CrNiMoVA鋼磁疇結構形貌的影響
(a) unmagnetized pearlite
(b) magnetized pearlite
(c) unmagnetized tempered martensite
(d) magnetized tempered martensite
Fig.10Changes of magnetic domain structures and morphologies of 45CrNiMoVA steel
鐵磁材料的磁化本質是磁疇運動[12,34,35],圖9b所示為45CrNiMoVA鋼不同磁化階段的磁疇運動示意圖,包含疇壁的位移和磁矩的轉動。在磁化初始階段,磁疇運動以可逆疇壁位移為主,對材料力學性能影響微弱;隨著外磁場增大,疇壁位移需要克服材料內應力、雜質、晶界、位錯等不均勻分布產生的阻力,形成不可逆疇壁位移;隨著外磁場進一步增加,疇壁位移基本結束,磁化強度的增加依賴磁矩的轉動,磁矩向外磁場方向轉動,直至飽和。巴克豪森效應[34](Barkhausen effect)認為磁化過程中疇壁的位移是一個不連續的過程,疇壁位移過程中遇到釘扎點,外磁場緩慢增加難以使其移動,而當外磁場達到臨界點,疇壁突然移動到平衡位置,產生大量“跳躍”巴克豪森信號,相對應地,磁致應變量發生突變、位錯塞積開動。
圖10所示為MFM測得的45CrNiMoVA鋼試樣脈沖磁處理前后表面磁疇結構形貌,圖中亮暗程度反映了磁力探針受磁場力作用下的相位變化(單位為“毫度”),局部亮暗均勻區域即代表一個磁疇單元。受材料組織晶粒不均勻的影響,45CrNiMoVA鋼的磁疇結構型式雜亂。相對珠光體態組織,回火馬氏體態組織更為細碎,導致其磁疇呈“碎疇”形態分布。相比于未磁化處理試樣(圖10a和c),脈沖磁化處理后(圖10b和d)整個圖像亮暗分布更為均勻,過渡區更為平滑,表明脈沖磁化處理導致表面磁疇分布更加均勻,這是在脈沖磁場作用下,磁疇克服材料內部阻礙后運動,重新排布的結果。在初始試樣內部存在殘余壓應力的條件下,當外界磁場強度大于位錯增殖所需的臨界場強,磁疇的這種不可逆運動就會引起微區應力、應變,促進位錯增殖、積聚,使位錯密度提高,宏觀表現為殘余壓應力和硬度的增大。彈性模量的變化可能與材料在磁化過程中總能量密度改變有關,根據鐵磁學理論[35],當材料未受外應力和外磁場作用時,總能量密度(
式中,
(1) 在初始試樣表面為殘余壓應力的條件下,脈沖磁化處理使45CrNiMoVA鋼表面殘余壓應力增大,這是磁場導致位錯增殖的結果。
(2) 脈沖磁化處理使珠光體態和回火馬氏體態45CrNiMoVA鋼硬度分別增加1.85%和1.84%,這主要與磁場對位錯和碳化物的影響作用有關。
(3) 脈沖磁化處理對珠光體態下的彈性模量影響較小,但對回火馬氏體態下的彈性模量影響較大,磁化處理后回火馬氏體態45CrNiMoVA鋼彈性模量增加4.48%,這可能與材料內部總能量密度受磁場影響改變有關。
(4) 45CrNiMoVA鋼力學性能受脈沖磁場強化作用的本質為磁疇克服材料內部不均勻引起的微區應力、應變,進而導致位錯運動、增殖,宏觀上表現為殘余壓應力、硬度和彈性模量的增加。
1實驗方法
1.1試樣材料
圖1
1.2實驗方案
圖2
圖3
2實驗結果
2.1脈沖磁化處理對殘余應力的影響
圖4
圖5
圖6
2.2脈沖磁化處理對硬度的影響
圖7
2.3脈沖磁化處理對彈性模量的影響
圖8
2.4基于磁疇運動理論的分析及脈沖磁處理前后表面磁疇結構形貌
圖9
圖10
3結論
來源--金屬學報