电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响.pdf

中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1 8 9-9 8C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yI S S N1 0 0 0-7 5 8 X C N1 1-1 8 5 9/Vh t t p:z g k j.c a s t.c nD O I:1 0.1 6 7 0 8/j.c n k i.1 0 0 0-7 5 8 X.2 0 2 4.0 0 1 0电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响华雄1,肖勇1,*,高翔1,王辉1,邱冬生2,王勇11.中国空间技术研究院西安分院,西安7 1 0 1 9 92.武汉晶泰科技股份有限公司4 3 0 0 5 6摘 要:星载可展天线广泛使用了弹性元件,这些弹性元件机械性能的一致性和稳定性对天线的展开和正常服役至关重要,是可展天线产品满足形面精度指标要求的重要支撑。采用宏观和微观试验相结合的方法,旨在探究电磁场对弹性元件结构和性能的影响,分析其影响机制,为提升星载弹性元件机械性能的一致性和稳定性提供新的途径。研究发现电磁耦合场能够在不改变原有产品精度等级及内部成分的情况下,将星载弹性元件刚度提升2.1 1%,刚度分布方差降低一个数量级;显微硬度最大可提升8.4 2%,硬度方差分布下降4 0.7 9%;抗蠕变性能提高4 5.7 6%,在强化机械性能的同时提高弹簧刚度分布和硬度分布的均匀性,减小个体差异。另外金相微观组织的观测结果显示电磁耦合场对弹簧机械性能的改善具有细晶强化和沉淀强化的作用。电磁耦合强化对提高星载弹性元件结构的性能稳定性和一致性具有重要影响,该技术在未来航天领域具有良好前景。关键词:星载弹性元件;电磁耦合;细晶强化;沉淀强化;位错中图分类号:V 4 5 文献标识码:A收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 8;修回日期:2 0 2 2-0 6-1 7;录用日期:2 0 2 2-0 6-2 0基金项目:国家自然科学基金(U 2 0 B 2 0 3 3)*通信作者.E-m a i l:x i a o.y o n g 1 2 6.c o m引用格式:华雄,肖勇,高翔,等.电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响J.中国空间科学技术,2 0 2 4,4 4(1):8 9-9 8.HUA X,X I AO Y,GAO X,e t a l.I n f l u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g f i e l d o n t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f s p a c e b o r n e s p r i n gJ.C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 4,4 4(1):8 9-9 8(i n C h i n e s e).I n f l u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g f i e l d o n t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f s p a c e b o r n e s p r i n gH U A X i o n g1,X I A O Y o n g1,*,G A O X i a n g1,WA N G H u i1,Q I U D o n g s h e n g2,WA N G Y o n g11.C h i n a A c a d e m y o f S p a c e t e c h n o l o g y(X i a n),X i a n 7 1 0 1 9 9,C h i n a2.W u h a n J i n g t a i T e c h n o l o g y C o.,L t d.,Wu h a n 4 3 0 0 5 6,C h i n aA b s t r a c t:E l a s t i c e l e m e n t s a r e w i d e l y a p p l i e d i n t h e s p a c e b o r n e d e p l o y a b l e a n t e n n a.T h e c o n s i s t e n c y a n d s t a b i l i t y o f t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s e e l a s t i c e l e m e n t s a r e c r u c i a l f o r t h e d e p l o y m e n t a n d n o r m a l s e r v i c e o f t h e a n t e n n a.T h e s u r f a c e a c c u r a c y o f t h e d e p l o y a b l e a n t e n n a i s e n s u r e d w i t h t h e n o r m a l o p e r a t i o n o f t h e s e s p r i n g s.T h e i n v e s t i g a t i o n i s o n t h e i n f l u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n t o n t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f t h e s p a c e b o r n e s p r i n g.A c o m b i n a t i o n o f m a c r o s c o p i c a n d m i c r o s c o p i c e x p e r i m e n t s w a s u s e d t o e x p l o r e t h e i n f l u e n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s o n t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e o f e l a s t i c c o m p o n e n t s.W i t h t h e a n a l y s i s o f t h e r e s u l t s a n d i n f l u e n c e m e c h a n i s m,t h i s w o r k p r o v i d e s a n o v e l m e t h o d t o i m p r o v e t h e c o n s i s t e n c y a n d s t a b i l i t y o f t h e s p a c e b o r n e e l a s t i c c o m p o n e n t s.T h e a p p l i c a t i o n o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g f i e l d w a s o b s e r v e d t o i m p r o v e t h e s t i f f n e s s,h a r d n e s s,c r e e p r e s i s t a n c e,a n d o t h e r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s p a c e b o r n e e l a s t i c e l e m e n t w i t h o u t a n y a d d i t i o n a l w e i g h t o r s t r u c t u r e p u n i s h m e n t.T h e r e s u l t r e v e a l s t h a t s t i f f n e s s i s e n h a n c e d b y 2.1 1%a n d t h e d i s t r i b u t i o n v a r i a n c e i s d e c r e a s e d b y a n o r d e r o f m a g n i t u d e.M i c r o h a r d n e s s o f t h e s p r i n g i s i n c r e a s e d b y 8.4 2%,w h i l e t h e v a r i a n c e d i s t r i b u t i o n i s d e c r e a s e d b y 4 0.7 9%.9 0 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1A 4 5.7 6%c r e e p r e s i s t a n c e i m p r o v e m e n t i s a c h i e v e d b y t h e a p p l i c a t i o n.T h e i m p r o v e m e n t o f c r e e p r e s i s t a n c e i s b e n e f i c i a l t o t h e l o n g-t e r m s e r v i c e o f t h e s p r i n g.T h e c o u p l i n g f i e l d i m p r o v e s t h e u n i f o r m i t y o f s p r i n g s t i f f n e s s a n d h a r d n e s s d i s t r i b u t i o n a n d a l l e v i a t e s t h e i n d i v i d u a l d i f f e r e n c e s a m o n g d i f f e r e n t s p r i n g s,w h i c h h a s a p o s i t i v e e f f e c t o n h u n d r e d s o f e l a s t i c e l e m e n t s i n s e r v i c e o n s p a c e b o r n e a n t e n n a.I n a d d i t i o n,e x a m i n a t i o n b y m e t a l l u r g i c a l m i c r o s c o p e s h o w s e v i d e n c e o f e n h a n c e m e n t o f t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s b y t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g f i e l d.B r o k e n g r a i n b o u n d a r i e s a n d m o r e e v e n l y d i s t r i b u t e d c a r b i d e s w e r e o b s e r v e d.P o s i t i v e e f f e c t s o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e a t t r i b u t e d t o t h e f i n e g r a i n s t r e n g t h e n i n g a n d p r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n g.A c c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s,t h e r e i n f o r c e m e n t e f f e c t o f t h e s p r i n g i s f o r m e d b y t h e c o u p l i n g o f f a c t o r s s u c h a s t h e J o u l e h e a t i n g e f f e c t o f t h e e l e c t r i c f i e l d,t h e e l e c t r o n i c w i n d e f f e c t,a n d t h e m a g n e t o-v i b r a t i o n o f t h e m a g n e t i c f i e l d.H e n c e,t h e e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n t s i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c e s t h e s t a b i l i t y a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s p a c e b o r n e e l a s t i c c o m p o n e n t s,a n d t h i s t e c h n o l o g y h a s e x c e l l e n t p r o s p e c t s i n t h e f u t u r e a e r o s p a c e f i e l d.K e y w o r d s:s p a c e b o r n e s p r i n g;e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g;g r a i n r e f i n e m e n t;p r e c i p i t a t i o n s t r e n g t h e n i n g;d i s l o c a t i o n0 引言星载可展开天线是实现卫星功能的核心部件,通常在发射阶段收拢于卫星本体,待卫星达到预定位置后,按序列展开进入服役阶段1-2。在此过程中星载弹性元件要经历发射、变换轨道、在轨运行和(或)返回地面四个特殊的工作环境,在不同的阶段会面临热、力学、真空、辐射等变化多端的空间环境载荷3-5,这样的服役环境会给弹性元件的结构和性能带来很大影响。铬镍系弹性元件由于自身重量轻、强度高、工艺制备程序成熟、成本低等优点6-8,已被广泛应用在太阳翼9-1 1、大型天线5,1 2-1 4以及空间可展望远镜1 0,1 5-1 6等航天领域内,尤其在驱动动力5,8,1 2、张力或压力补偿1 7、振动控制1 8-1 9方面发挥着不可代替的作用。随着各学科的不断发展与进步,各种物理场处理技术,特别是磁场处理技术和电场处理技术,由于具有不改变金属试样的原有成分、无污染、无接触、操作方便、作用效果(缩短反应时间、提高反应效率等)显著等优点2 0-2 1,已逐渐应用到金属材料领域,为金属钢铁材料的微观组织和性能提供新的途径和机遇。有研究证实电场或磁场可以通过影响材料的动态重结晶、相变以及位错演化等微观性能2 2-2 5进而影响材料的硬度、强度、延伸率和疲劳寿命等力学性能。电磁场改善钢铁材料力学性能的机理主要有以下三个方面。一是电磁场能够影响材料的晶粒尺寸和相变。例如有研究2 4,2 6认为磁场能够细化晶粒,改善晶粒结构,使材料的硬度、强度和塑性同步提高。还有研究2 7-2 9认为电磁场降低晶粒动态重结晶的阈值,提升形核速率,促进组织相变,进而影响材料的力学性能。二是电磁场能够影响材 料 的 位 错 演 化,改 变 位 错 组 态。有 研究2 5,3 0-3 3认为磁场能够改变位错和障碍物之间自由基的状态,降低障碍物对位错的钉扎力,提高位错运动的灵活性,促进位错增值和滑移,使整体位错变得均匀,从而提升金属机械性能。还有研究2 0,2 3,3 4-3 5认为电流产生的漂流电子能够改变位错滑移方式,促进位错退钉扎,在电子风力的作用下位错均匀分布,改善了结构的物理性能。三是电磁场能够产生场致塑性效应,提升材料的塑性。有研究3 3,3 6-3 9发现电磁场和位错、残余应力以及晶界之间相互作用而产生的场致塑性效应能够提高塑性,降低金属材料的加工抵抗力,提高成形性。通过调研发现以往学者对电磁场的应用研究大多集中在单一物理场的处理及探究,对耦合场的研究较少;另外对电场或者磁场的应用场景集中在金属的熔融态或者加工过程中,很少涉及成品件的处理。本文以星载弹性元件为研究对象,探究电磁耦合技术对其组织和力学性能的影响。星载弹性元件主要用作星载天线反射器形面的成型与保持,由于复杂多变的空间服役环境,弹簧在太空中会存在硬度不均、刚度变化、蠕变等失效风险。试验设计不同工艺对照组,对比分析电磁耦合处理前后弹簧在硬度、刚度以及蠕变等物理性能的变化情况,最后结合金相分析探究弹簧在处理前后微观组织的变化和宏观性能华雄,等:电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响9 1 改变的内在联系。1 试验材料及方法1.1 试验材料本文研究对象星载弹性元件所用材料为3 C r 1 9 N i 9 M o 2 N,根据国标G B/T 3 0 7 71 9 9 9测定3 C r 1 9 N i 9 M o 2 N钢各化学元素成分及含量,所用仪器为T X 0 1型只读光谱仪,化学成分如表1所示。表1 试验所用3 C r 1 9 N i 9 M o 2 N钢的化学成分T a b l e 1 C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f 3 C r 1 9 N i 9 M o 2 N s t e e l u s e d i n t h e t e s t%CS i M nSPC rN i M oNF e0.2 51.41.80.0 2 50.0 3 11 9.4 9.5 1.90.2 1 6 5 试验样品由冷轧钢带制成,加工前经过回火处理,回火温度4 8 0,工件温度波动范围在1 0 以内,处理时间3 h,如图1所示。图1 星载弹性元件结构F i g.1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f s p a c e b o r n e e l a s t i c e l e m e n t1.2 试验方法试验采取控制变量法原则,设置空白对照组和电磁处理组。试验中电磁耦合处理由武汉晶泰科技公司进行,电磁耦合装置由磁脉冲发生装置与脉冲电流激发装置组成,其中磁脉冲发生装置主要由电容组放电系统与励磁线圈两部分组成,示意如图2所示。图2 电磁耦合处理装置示意F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g p r o c e s s i n g d e v i c e 试验过程中硬度测量采用HV S-1 0 0 0 A数显式显微硬度计,负载9.8N,保持1 5 s,每个试样上取5个点,求平均值。电磁耦合处理前后刚度检测平台是HD C 2 0 3弹性元件专用测试仪,测试常温常压下弹簧的刚度,并要求正向和反向各加载一次,测试载荷为68N,拉伸速度为3mm/m i n,每个载荷测3次取平均值。弹簧的抗蠕变性能试验采用变温度定载荷长储的办法表征,将两组试验弹簧分别固定在弹簧板架上,初始位移为3mm,施加温度载荷前,弹簧处于相同的初始条件。随后将弹簧置于变温炉 中,设 置 温 度 载 荷 为 高 温+7 0,低 温-5 0,每次试验周期包括常温2 h,高温4 h,低温4 h,升降温0.5h,经历9个试验周期后开箱测量相同载荷下弹簧的变形量衰减情况。最后对原始试样和电磁处理试样进行微观形 貌 观 测。使 用L E I C A DM I 3 0 0 0 M/MR I E-F 2 5 7 3金相显微镜观测处理前后碳化物析出等微观组织的变化,金相试样采用3 0 g三氯化铁+3 0m l水+1 2 0m l盐酸溶液进行侵蚀,腐蚀时间7 s,随后进行金相观测,分析弹簧处理前后析出物等微观形貌的变化情况。2 试验结果2.1 电磁耦合处理对弹簧刚度的影响电磁耦合处理前后弹簧的刚度变化如表2所示。9 2 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1表2 电磁耦合处理前后弹簧的刚度变化情况T a b l e 2 C h a n g e s o f s p r i n g s t i f f n e s s b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n tN/mI t e mL e f t b e f o r e t r e a t m e n tL e f t a f t e r t r e a t m e n t R i g h t b e f o r e t r e a t m e n tR i g h t a f t e r t r e a t m e n t 12.4 72.5 02.5 42.5 622.5 72.5 82.5 32.6 032.5 32.5 82.5 72.6 042.5 52.5 82.5 42.5 652.5 42.5 72.5 42.5 662.5 52.5 52.4 92.5 472.5 02.5 52.5 22.5 582.5 32.5 72.5 22.5 7 电磁耦合处理前后的刚度变化情况如图3所示,由折线图可以明显看出经过电磁耦合强化后的星载弹性元件的刚度曲线均在未处理之上,刚度得到了统一性提升。图3(a)显示的是右侧刚度处理前后的变化情况,处理前弹簧的平均刚度为2.5 3,最大刚度为2.5 7,经过电磁耦合处理后平均刚度提升至2.5 6,提升了1.1 7%,最大刚度为2.6,其中最大可提升2.1 1%。图3(b)显示的是弹簧左侧刚度的变化情况,未处理前左侧刚度均值为2.5 3,强化后提升至2.5 7,提升了1.6%,其中最大可提升2.7 7%。由图3(c)展示的经过电磁耦合处理后弹簧左右刚度差的变化情况,经过电磁耦合强化处理,星载弹性元件的左右刚度差明显下降,从折线图中也可以看出强化组折线基本都位于对照组下侧。未处理组的左右刚度差为0.0 3 1 3,强化后变为0.0 1,下降了1/3,弹簧的稳定性提高。左侧刚度方差强化处理前后分别为0.0 0 0 5、0.0 0 0 5,维持不变;右侧刚度方差强化处理前后分别为0.0 0 1、0.0 0 0 8,方差降低2 0%,整 体 来 看 弹 簧 的 一 致 性 得 到提高。2.2 电磁耦合处理对弹簧硬度的影响电磁耦合处理前后弹簧的硬度变化如表3所示。图3 电磁耦合处理前后刚度变化情况F i g.3 S t i f f n e s s c h a n g e s b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n t表3 电磁耦合处理前后弹簧的硬度变化情况T a b l e 3 T h e h a r d n e s s c h a n g e o f t h e s p r i n g b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n tS p r i n g n o.12345678B e f o r e/HR5 3.85 4.45 2.55 8.85 4.55 5.45 4.85 5.5A f t e r/HR 5 8.35 8.65 6.16 0.45 8.75 7.35 6.75 9.1 电磁耦合处理前后弹簧的显微硬度如图4所示,可以看出经过电磁耦合处理后弹簧硬度整华雄,等:电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响9 3 体位于空白组之上,表面电磁耦合处理技术使弹簧的表面硬度得到了提升,其中1号试样提升效果 最 明 显,由 空 白 组 的5 3.8 HR C提 升 至5 8.3 3 HR C,提升了8.4 2%。经过计算,未处理组弹簧的硬度方差为3.3 1,电磁耦合处理后硬度方差降为1.9 6,下降4 0.7 9%。图4 电磁耦合处理前后弹簧硬度变化情况F i g.4 C h a n g e s o f s p r i n g s t i f f n e s s b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n t2.3 电磁耦合处理对弹簧抗蠕变性能的影响经过一个月的变温长期储存后弹簧在相同载荷下的变形量如表4所示。表4 变温长期储存前后弹簧的变形量T a b l e 4 D e f o r m a t i o n o f s p r i n g b e f o r e a n d a f t e r l o n g-t e r m s t o r a g e a t v a r i a b l e t e m p e r a t u r eS p r i n g n o.L e f t b e f o r e s t o r a g e/mmL e f t a f t e r s t o r a g e/mmR i g h t b e f o r e s t o r a g e/mmR i g h t a f t e r s t o r a g e/mm12.7 2 42.7 7 82.7 1 32.7 5 622.7 0 32.7 6 72.7 6 72.8 0 032.7 0 32.7 4 52.8 1 12.8 3 442.7 4 52.8 1 12.8 3 42.8 5 752.7 5 62.7 7 82.7 6 72.7 7 862.7 5 62.7 7 82.7 7 82.8 1 172.7 4 52.7 6 72.7 7 82.7 8 982.7 5 62.7 7 82.7 1 32.7 2 4 图5展示的是不同处理条件下的星载弹性元件在长储前后变形量的变化情况。其中图5(a)(b)显示的是弹簧左侧的变化情况。图5(a)中左边区域是没有经过电磁耦合处理的变化情况,最大的变形衰减量为0.0 6 6,相对应的右边图5 定载荷长期储存前后弹簧变形量的变化F i g.5 C h a n g e o f s p r i n g d e f o r m a t i o n b e f o r e a n d a f t e r l o n g-t e r m s t o r a g e w i t h c o n s t a n t l o a d区域显示的是经过电磁耦合处理后变形量的变化情况,最大的变形衰减量为0.0 2 2,所有弹簧变形量的变化情况如图5(b)所示。可以看出经过为期一个月的变温长储后未处理组在相同载荷(7N)下的变形量明显大于电磁耦合处理组,9 4 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1未处理弹簧左侧形变的平均变化量为5.6 6 7%,而处理后的平均变化量为2.1 8 3%,抗蠕变性能提升6 1.4 8%。其中图5(c)(d)显示的是弹簧右侧的变化情况。图5(c)中左边区域是没有经过电磁耦合处理的变化情况,最大的变形衰减量为0.0 4 3,相对应的右边区域显示的是经过电磁耦合处理后变形 量 的 变 化 情 况,最 大 的 变 形 衰 减 量 为0.0 3 3,所有弹簧变形量的变化情况如图5(d)所示。可以看出经过为期一个月的变温长储后未处理组在相同载荷(7 N)下的变形量明显大于电磁耦合处理组,未处理右侧形变的平均变化量为3.0 4 6%,而经过电磁耦合处理后形变的变化量仅为1.6 5 2%,抗蠕变性能提升4 5.7 6%。2.4 电磁耦合处理对弹簧金相组织的影响图6为电磁耦合处理前后弹簧金相组织的微观形貌。电磁耦合处理前的试样金相显微组织如图6(a)所示,金相组织呈现为大颗粒的奥氏体基体上分布有零星的黑色碳化物,奥氏体基体边界清晰完整,如图6(a)中曲线所示。析出的碳化物颗粒粗大,晶内和晶界均有分布,在图6(a)用圆圈标出。图6(b)显示的是电磁耦合处理后的弹簧金相微观组织,由图可以看出电磁耦合处理后先前的大颗粒奥氏体基体组织变得破碎,大的晶界延伸出很多小的晶界,在图6(b)中曲线标出。整个奥氏体基体上大范围分布着细小的碳化物颗粒,如图6(b)中圆圈所示。3 分析与讨论通过对试验结果的统计分析可以发现电磁耦合场能够整体性改善星载弹性元件的刚度、硬度、抗蠕变性能等机械性能,从弹簧的金相组织来看,电磁场能够促进奥氏体基体中小颗粒碳化物的析出,碳化物均匀地分布在整个奥氏体基体上,达到沉淀强化的效果。另外电磁场还能使大颗粒的奥氏体组织破碎,晶界增多,起到细晶强化的作用。3.1 电磁耦合对星载弹性元件的细晶强化作用如图8所示,电磁场能够使大颗粒的奥氏体图6 电磁耦合处理前后金相组织图像F i g.6 M e t a l l o g r a p h i c m i c r o s t r u c t u r e i m a g e s b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r o m a g n e t i c c o u p l i n g t r e a t m e n t破碎,使晶界增多。电磁场对金属结构的最明显的影响之一便是晶粒细化,但是学术界至今还没有一个公认的机理。虽然本文所研究弹簧所用材料是奥氏体弹簧钢,属于顺磁性,磁场引起的磁致收缩所导致的磁致振动为奥氏体晶界破碎提供能量。朱立光等2 5发现在脉冲磁感应强度为1 3 51 9 0mT、作用时间为51 0m i n时,可以使奥氏体晶粒得到明显细化,使原始奥氏体晶粒面积由1 5.7 9mm2下降到1.2 5mm2。除了华雄,等:电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响9 5 磁场,电脉冲也有具有细化晶粒的作用。何树先等4 0使用麦克斯韦方程推出了由电脉冲产生的剪切应力,并认为电脉冲产生的剪切应力具有剪断长的杆状晶体,使其向小的块状晶体转变。f=B(t)I(t)dlx=-xy,y=-yx,z=-zx y式中:B(t)为垂直于电流方向的磁感应强度;f为电磁力;I(t)为电流强度;l为电流作用距离,x、y、z分别为金属熔体在x,y,z方向上的运动速度;为动力黏度;x、y、z,分别为x,y,z方向上的剪切应力。在电磁场的作用下,奥氏体晶体变小后对基体产生以下四方面的影响。晶界所占比例增大,对位错的阻力增大,即塑性变形的抗力增大,强度、硬度增大,大量的晶界能够有效地阻碍裂纹的生成与发展,进一步提高晶体的韧塑性;金属材料的晶粒越细,每个晶粒周围不同位向的晶粒增多,特别是处于硬位向的晶粒增多,使得金属变形的抗力增大,即强度、硬度增大;细小晶粒使位错塞积所产生的正应力随之降低,应力集中变小,需要外界提供更大的力,拉高塞积应力,这会启动相邻晶粒滑移系,塑性变形得到改善;晶粒细小导致晶粒变多,位错塞积分散,使每个晶粒变形小且均匀,能大幅度减小局部集中的应力值,能阻碍微裂纹的生成与发展。鉴于以上原因,弹簧的刚度、硬度等性能得到整体性提高。一般情况下,金属件晶粒越细,机械性能越好,所以在工程上控制晶粒大小是提高金属件质量的重要措施4 0。晶粒的细化程度对于钢铁材料的 强 度 影 响 可 以 用H a l l-p e t c h公 式4 1来表示:s=0+k d-1/2e(1)式中:s为屈服强度;0为单晶体材料屈服强度;de为等效晶粒直径;k为常数,反映了位错被溶质原子的钉扎程度。根据H a l l-p e t c h公式可知,在其他条件相同的情况下,金属材料的屈服强度随着材料等效晶粒直径的减小而增大。晶粒尺寸每减小一个数量级,钢的屈服强度增加量会提高到先前的1 0倍。本文中电磁场引起的晶粒细化现象是弹簧机械性能改善的重要原因。3.2 电磁耦合对星载弹性元件的沉淀强化作用在电磁场的作用下,弹簧金相组织中的小颗粒碳化析出物均匀地分布在奥氏体基体中,起到了沉淀强化的作用。本文认为磁致振动能够使大颗粒的碳化物沉淀破碎成细小颗粒,在磁场以及电子风的影响下,小颗粒的碳化物均匀地分布在奥氏体晶内。有学者4 2-4 3类似地研究发现磁场能够促进基体内大颗粒碳簇溶解,使沉淀从晶间团聚变为晶内均匀分布,提高结构的机械性能。另外脉冲电流以及磁场引起的涡流会产生焦耳热效应,这是碳化物沉淀析出增多的另外一个重要原因。沉淀强化的本质还在于沉淀颗粒对于位错的阻碍作用。由于析出的碳化物为不可变形颗粒,当内部位错遇到后采用奥罗万绕过机制,如图7所示。图7 碳化物沉淀对位错的影响机制F i g.7 I n f l u e n c e m e c h a n i s m o f c a r b i d e o n d i s l o c a t i o n当第二相粒子为不可变形颗粒时,位错遇到第二相粒子采用绕过机制。当位错滑移遇到第二相障碍物时,由于第二相粒子不可变形,位错线继续往前移动并弯曲拉长,如图7(b)所示。在外力的作用下位错线继续往前滑移,位错线受阻碍部分曲率越来越大,体系能量越来越大,位错运动阻力也逐步增大。最终形成位错环从位错线上脱离,如图7(c)所示。最终位错留下了位错环,位错环的存在使后续位错运动阻力增大,而剩余的位错继续向前滑移,如图7(d)所示,使材料强度增强。一般来说,第二相越多越密,材料的强化效果越好。在奥罗万绕过机制中,因为位错滑移遇到第二相颗粒的阻碍,位错将沿颗粒边界弯曲从而增加线张力,因此位错绕过质点需要更大的驱动力,从而产生材料的变形抗力增加,其强度增量与第二相的颗粒尺寸d和体积分数f之间大致的关系如下4 4:9 6 中国空间科学技术F e b.2 5 2 0 2 4 V o l.4 4 N o.1P Of1/2d-1l n d(2)式中:P O为强度增量;f为析出颗粒的体积分数;d为析出颗粒的直径。由式(2)可以看出,析出物的尺寸越小,强化效果就越好,这与金相观测结果相一致。4 结论本文通过试验探究分析了电磁耦合场对星载弹性元件刚度、硬度以及抗蠕变性能的影响,并借助金相显微镜对电磁耦合处理前后的微观组织进行观察,探究电磁耦合场和弹簧强化的内在联系,得出以下结论:1)电磁耦合场处理后能够将星载弹性元件的刚度提升1.1 7%2.7 7%;能够将弹簧左右刚度差降低三分之一,提高弹簧刚度的均匀性和稳定性;不同弹簧刚度方差降低了一个数量级,明显降低弹簧之间的个体差异,这对一次性服役的成百上千个星载弹性元件具有重要的意义。2)电磁耦合场处理后能够将星载弹性元件的硬 度 提 升8.4 2%,