金属磁记忆技术用于去应力退火评估的可行性研究.doc

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金属磁记忆技术用于去应力退火评估的可行性研究
作者：罗龙清 鞠伟 于润桥 王少军
来源：《科技创新导报》2011年第13期
        摘 要:本文基于磁致伸缩效应的新型的金属磁记忆无损检测技术,利用金属磁记忆信号与应力大小严格的对应关系,对金属磁记忆检测技术用于去应力退火进行评估进行可行性研究。通过研究分析发现,金属磁记忆信号与45#钢的去应力退火程度有一致的单调性,通过检测金属磁记忆信号磁场的强度,可实现对去应力退火工艺的评估。
        关键词:金属磁记忆去应力退火评估
        中图分类号:TG441.8 文献标识码:A 文章编号:1674098X(2011)05(a)-0007-02
        引言
        一般情况下,铸件、锻件、焊接件、经冷冲压等机械加工后的试件存在较大的残余应力,残余内应力的存在会降低尺寸稳定性,导致淬火变形开裂,降低焊缝处金属的承载能力,因此,为了提高试件的机械加工性能和使用性能,往往都要去应力退火。去应力退火后关于去应力程度及退火工艺的评估一般通过测量残余应力的大小来实现,测量残余内应力的传统方法有应力释放法、X射线法、超声波法和深层应力分布法等,这些传统方法可以很好的实现残余应力测量,但有一些明显的缺陷,如应力释放法属于有损方法,X射线工艺和操作复杂、成本高,超声波法需要耦合剂等,在此背景下,本文提出用金属磁记忆检测技术实现对退火去应力程度进行评估[1]。
        20世纪90年代,俄罗斯的杜波夫教授提出金属磁记忆无损检测技术,这种全新的无损检测技术,由于其检测方法简便快捷以及至今为止唯一一种可对铁磁性材料进行早期诊断的无损检测新技术,一经提出,便受到国内外众多学者的高度关注和研究,其原理是基于铁磁构件在受到工作载荷和地磁场的共同作用下,在应力和变形集中区发生磁致伸缩性质的磁畴组织定向的、不可逆的重新取向[2]。铁磁性材料磁场强度与机械应力(或残余应力)有直接的联系,这种磁机械效应使得铁磁性构件的应力集中区磁场增强,增强的磁信号也就相应的“记忆”了应力集中位置,并且磁场强度随着应力的增大而增强[3-7]。本文就是基于这一原理,根据磁场强度与应力的关系,研究磁场与去应力退火的去应力状况关系,研究表明,用磁记忆方法评估去应力退火的工艺状况是可行的。
        1 实验原理
        1.1 焊后去应力退火的机理
        金属材料的屈服强度一般随着温度的升高而下降。当一块存在较大残余应力的钢铁构件被加热,温度升高时,其屈服强度会降低,当屈服强度小于残余应力时,材料内部组织就会发生屈服,释放应力,直到残余应力与屈服强度达到平衡,去应力退火正是基于这一原理。残余应力的去除程度,取决于退火的最大温度与保温时间,保证保温时间充足的情况下,温度越大,应力去除越彻底,但也不能太高,以免发生金属相组织结构变化,一般低于Ac1线以下100℃到200℃[8]。
        1.2 磁记忆检测原理和准则
        机械应力以及材料组织本身的不均匀性导致材料磁导率分布的不均匀性,因此,处在地磁环境作用下的铁磁性材料会产生漏磁场,漏磁场的大小取决于磁导率的分布不均匀程度[9]。应力的大小决定磁导率的差异状况,磁导率的差异程度决定漏磁场信号大小,金属磁记忆技术就是通过检测漏磁场信号来评估材料受力情况及组织结构,这也是本文实验的理论依据。磁导率与应力的关系研究一般在变化的机械应力场中进行,经过多年的研究和实验,积累了大量的实验数据之后,俄罗斯动力诊断公司提出以下关系式:
        (1)
        式中为铁磁材料加载后的磁导率,为无应力时的初始磁导率,为与材料本身性质相关的常数,,,,为系数,与应力的加载方向与大小有关。
        2 去应力退火工艺参数的设计
        本实验采用工业中广泛使用的45#钢,加工成长120mm、宽30mm、厚5mm的矩形试样,经过线切割加工,具有较大的残余应力,采用300度装炉,加热到400-650℃,保温2～4h后随炉冷至200-300℃,出炉后采用自然冷却至室温的方法。
        2.1 保温温度
        退火保温温度是影响区应力效果的最重要的因素。温度过低,工件不可能在较短的时间内完成局部应力松弛的塑性变形;温度过高,不仅会使工件的力学性能破坏,还会产生较大的弯曲形变,甚至相变。消除应力处理的加热温度根据材料不同而不同,一般将工件加热到Ac1以下100～200℃。
        2.2 保温时间
        去除机械加工工件的残余应力,不仅要达到一定的温度,还要保证足够的时间提供给局部塑性变形和应力释放。本实验用的试块不是很厚,因此,保温时间2～4h,就能很好的去除残余应力。
        2.3 加热和冷却速度
        由材料的化学成分、工件大小和形状等因素决定,钢中的碳含量越高或元素越多,钢的导热性就越低,钢的加热、冷却就应缓慢,工件的尺寸很大或截面的尺寸变化比较剧烈,加热、冷却也应缓慢。这样考虑的目的是为了避免钢在很快加热、冷却时,留下很大的残余内应力,甚至导致试件变形或生成裂纹。45#碳钢加热、冷却速度控制在20～50℃/h,比较合适[1]。
        3 实验结果
        3.1 试验
        本实验采用俄罗斯动力诊断公司生产的TSC-1M-4应力集中检测仪(四通道,其中一个通道测环境磁场)来采集数据(表面磁场强度),扫描沿中心线进行(如图1),实验数据如图2。
        从以上实验结果,经分析发现,在不同的去应力退火条件下金属磁记忆信号规律:
        (1)试件在经过机械加工后,不同试件表面的金属磁记忆信号差异较大;(2)在保温时间充足的情况下,去应力退火保温温度不同,金属磁记忆信号不同,且随着温度的升高(Ac1线下),金属磁记忆信号越强,在达到一定温度后(550℃),金属磁记忆信号稳定;(3)在保证最佳去应力退火温度情况下,保温时间不同,金属磁记忆信号不同,且随着去应力退火时间加长,金属磁记忆信号减小,且保温时间过了一定限后(大约2.5h),金属磁记忆信号稳定。(4)同一试样,保证最佳保温温度和充足的退火时间之后,金属磁记忆信号基本保持稳定不变。
        3.1 结果分析
        试件在经过机械加工后,材料天然的微观差异,机械加工过程的切削随机差异,导致试件的残余应力具有随机性,因此,由磁致伸缩机械效应形成的金属磁记忆信号也不尽相同。
        在去应力退火时,随着温度的升高,试件屈服强度下降,当试件残余应力大于加热金属的屈服强度时,试件在局部就会发生塑性变形,残余应力就会释放。残余应力幅值的降低取决于保温温度下材料的屈服强度和蠕变特性,温度越高(低于Ac1),屈服强度越小,应力释放越容易,保温时间越长,残余应力释放越彻底,金属磁记忆信号越相应越小。
        保温持续时间充足的试件,残余应力释放到一定程度后,试件的残余应力低于此时温度下的屈服强度,残余应力也就不能继续释放,这些残余应力自然就保留并稳定下来,金属磁记忆信号减小到一定程度后也保持稳定不变。
        4 结语
        从实验结果可以看出,去应力退火工艺的设计要充分考虑材料的性质,选择合适的升温、冷却速度,保温温度和保温时间,根据材料,选择最佳的工艺参数,达到最大程度的去除残余应力。
        试件表面的金属磁记忆信号很好的反应了试件表面的应力集中程度和残余应力大小,残余应力越大,金属磁记忆信号也越强,两者之间有一致的单调相关性,可以通过金属磁记忆检测技术来评价铁磁性材料去应力退火的去应力程度。
        本论文从理论和实践验证了金属磁记忆检测技术评价铁磁性材料的退火去应力程度的可行性,进一步的定量评估还有待进一步的研究。
        参考文献
        [1] 樊东黎,徐跃明,佟晓辉.热处理工程师手册[M].北京:机械工业出版社,2004.
        [2] 任吉林,林俊明.金属磁记忆检测技术[M].北京:中国电力出版社,2000.
        [3] Dubov AA.Study of metal properties using metal magnetic memory method [A].7th European Conference on Non-destructive Testing[C].Copenhagen: 1998.920-927.
        [4] 黄松岭,李路明,汪来富,等.用金属磁记忆方法检测应力分布[J].无损检测,2002,24(5):212-214.
        [5] 周克印,张静,姚恩涛,等.构件隐性损伤的磁记忆检测方法研究[J].南京航空航天大学学报,2004,36(6):713-717.
        [6] 胡智,任吉林.铁磁材料构件的应力分析和磁记忆检测[J].无损检测,2005,27 (7):355-358.
        [7] 黄松岭,李路明,汪来富,等.用金属磁记忆方法检测应力分布[J].无损检测,2002,24(5):212-214.
        [8] 刘永刚,李显,李少华.焊后去应力退火的机理及应用[J].金属加工,2009.
        [9] Jilin REN,Minghang SHU,Kai SONG Simulation of Stress-magnetization Effect on 18CrNi4A Steel by ANSYS[C].17th World Conference on Nondestructive Testing,2008,Shanghai,China.