[發明專利]一種脈沖磁場處理對金屬零件殘余應力影響的分析方法

在審

• 申請號: 202010475854.0
• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN111855717A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 邢志國;王海斗;黃艷斐;郭偉玲;李琳
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍裝甲兵學院
• 主分類號: G01N23/207
• 分類號: G01N23/207;G01L5/00;G01N1/28;G01N3/08;C21D10/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 陳志海

本發明公開了一種脈沖磁場處理對金屬零件殘余應力影響的分析方法，首先探究不同場強磁處理的試樣的殘余應力的影響，即包括殘余壓應力和殘余拉應力，通過對試樣進行噴丸試驗和拉伸試驗分別引入殘余壓應力和殘余拉應力，采用X射線衍射儀對試樣進行殘余應力測試。然后，從微觀角度分析殘余應力值的變化，利用光學顯微鏡對試樣進行金相組織的觀察、透射電鏡進行位錯組織的觀察、X射線衍射儀進行相成分的觀察、電子背散射衍射儀進行晶粒觀察，表征經過脈沖磁處理之后的微觀組織變化。最后，初步探索出脈沖磁處理對試樣殘余應力的影響機理。

技術領域

本發明涉及材料力學技術領域，特別涉及一種脈沖磁場處理對金屬零件殘余應力影響的分析方法。

背景技術

殘余應力在機械制造和材料加工過程中均會產生，其對零件和材料的疲勞性能、物理力學性能、結構強度、耐腐蝕性等都會產生顯著的影響。例如，工件中存在殘余壓應力時，這種狀態使其內部材料抵消一部分載荷應力，從而提高了其疲勞強度，而當工件中存在殘余拉應力時，其疲勞強度就會降低；若工件在加工之前已經存在殘余應力，其加工后的尺寸精度就會受到影響，工件也會產生新的變形，嚴重的可能直接作廢。所以，降低工件的有害殘余應力是提高材料性能較為關鍵的工藝。

磁處理技術對材料殘余應力的定性研究最早開始于20世紀90年代初，美國Innovex公司就已經研發出一種裝置，該裝置能夠通過脈沖磁處理來降低工具鋼材料內部的殘余應力。但由于殘余應力的內部狀態很難判斷，所以該公司只是對磁處理效果的產生原因做了簡單的解釋，并未對磁處理后材料的殘余應力降低進行機理性分析和定量研究。

國內的研究學者做了相關研究，清華大學最早的磁處理研究者唐非等人對碳素鋼的殘余應力進行磁處理后發現，與以往的消除殘余應力方法不同，即磁處理法不僅使應力峰值下降，更使應力整體分布水平下降。鹿安理等研究者還對其具有均勻拉伸應力的單向拉伸試樣分別進行低頻脈沖和強脈沖交變磁場處理后發現，試樣的內部拉伸應力均有明顯的下降趨勢，而其將應力下降的原因歸結于試樣內部的磁致振動現象，并將磁致振動的變化歸結于試樣內部磁致伸縮應變的變化，即磁致伸縮應變越大，其磁致振動就越大，進而導致試樣內部應力的松弛，宏觀上表現為殘余應力的降低。

現有齒輪制造強化工藝按強化內因，主要分為兩類：材料相變/改性強化與應變強化。

相變/改性強化，指齒輪整體或強化層材料經歷高溫冷卻過程，通過材料相變或強化元素引入，生成強度/硬度較高的相組織或硬質顆粒。此類工藝需要經歷高溫相變-快速冷卻過程，原有組織(如鍛造流線組織)易受到破壞、冷卻不均勻造成內應力較大、溫度控制不當易生成有害相、變形控制難度大等問題突出。雖然表面淬火(如感應、激光、電子束淬火等)有助于改善變形，然而高溫-快冷的方式仍造成局部應力集中、工藝控制精度不高等問題。

應變強化工藝，指齒輪表面在室溫下經歷一定塑性變形，通過應變強化實現屈服強度提高，并引入適當的壓應力。這類工藝有效避免了溫度變化引起相變的問題，然而存在強化層難以有效控制(噴丸、超聲噴丸)、強化效率低(激光噴丸、超聲擠壓)、設備昂貴(激光噴丸)、粗糙度差等問題。

重載齒輪高端制造技術始終是國內外工業界、軍工部門、研究機構的重點內容之一，近20年一批新的技術不斷發展并工程應用，如真空滲碳+高壓氣淬、激光噴丸、雙頻感應淬火等。美國齒輪制造協會(AGMA)2010年北美熱處理年會(ASM Heat TreatSocietyMeeting)中提出，齒輪高端制造強化技術必須滿足以下特點：保持或生成優異的微觀組織，精確控制應力演化與最終狀態，最小化變形，具有可適應性的效率等。近年來隨著強磁場技術與材料技術的迅猛發展，在傳統熱、力等強化驅動力外，脈沖磁場為齒輪高端制造強化提供了一種全新的方法，可有效避免上述工藝的缺點，有著明顯的優勢和巨大的潛力。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種脈沖磁場處理對金屬零件殘余應力影響的分析方法，未對磁處理后材料的殘余應力降低進行機理性分析和定量研究。