金屬磁記憶技術用于去應力退火評估的可行性研究

摘 要:本文基于磁致伸縮效應的新型的金屬磁記憶無損檢測技術，利用金屬磁記憶信號與應力大小嚴格的對應關系，對金屬磁記憶檢測技術用于去應力退火進行評估進行可行性研究。通過研究分析發現，金屬磁記憶信號與45#鋼的去應力退火程度有一致的單調性，通過檢測金屬磁記憶信號磁場的強度，可實現對去應力退火工藝的評估。

關鍵詞:金屬磁記憶去應力退火評估

中圖分類號:TG441.8文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0007-02

引言

一般情況下，鑄件、鍛件、焊接件、經冷沖壓等機械加工后的試件存在較大的殘余應力，殘余內應力的存在會降低尺寸穩定性，導致淬火變形開裂，降低焊縫處金屬的承載能力，因此，為了提高試件的機械加工性能和使用性能，往往都要去應力退火。去應力退火后關于去應力程度及退火工藝的評估一般通過測量殘余應力的大小來實現，測量殘余內應力的傳統方法有應力釋放法、X射線法、超聲波法和深層應力分布法等，這些傳統方法可以很好的實現殘余應力測量，但有一些明顯的缺陷，如應力釋放法屬于有損方法，X射線工藝和操作復雜、成本高，超聲波法需要耦合劑等，在此背景下，本文提出用金屬磁記憶檢測技術實現對退火去應力程度進行評估[1]。

20世紀90年代，俄羅斯的杜波夫教授提出金屬磁記憶無損檢測技術，這種全新的無損檢測技術，由于其檢測方法簡便快捷以及至今為止唯一一種可對鐵磁性材料進行早期診斷的無損檢測新技術，一經提出，便受到國內外眾多學者的高度關注和研究，其原理是基于鐵磁構件在受到工作載荷和地磁場的共同作用下，在應力和變形集中區發生磁致伸縮性質的磁疇組織定向的、不可逆的重新取向[2]。鐵磁性材料磁場強度與機械應力(或殘余應力)有直接的聯系，這種磁機械效應使得鐵磁性構件的應力集中區磁場增強，增強的磁信號也就相應的“記憶”了應力集中位置，并且磁場強度隨著應力的增大而增強[3-7]。本文就是基于這一原理，根據磁場強度與應力的關系，研究磁場與去應力退火的去應力狀況關系，研究表明，用磁記憶方法評估去應力退火的工藝狀況是可行的。

1 實驗原理

1.1 焊后去應力退火的機理

金屬材料的屈服強度一般隨著溫度的升高而下降。當一塊存在較大殘余應力的鋼鐵構件被加熱，溫度升高時，其屈服強度會降低，當屈服強度小于殘余應力時，材料內部組織就會發生屈服，釋放應力，直到殘余應力與屈服強度達到平衡，去應力退火正是基于這一原理。殘余應力的去除程度，取決于退火的最大溫度與保溫時間，保證保溫時間充足的情況下，溫度越大，應力去除越徹底，但也不能太高，以免發生金屬相組織結構變化，一般低于Ac1線以下100℃到200℃[8]。

1.2 磁記憶檢測原理和準則

機械應力以及材料組織本身的不均勻性導致材料磁導率分布的不均勻性，因此，處在地磁環境作用下的鐵磁性材料會產生漏磁場，漏磁場的大小取決于磁導率的分布不均勻程度[9]。應力的大小決定磁導率的差異狀況，磁導率的差異程度決定漏磁場信號大小，金屬磁記憶技術就是通過檢測漏磁場信號來評估材料受力情況及組織結構，這也是本文實驗的理論依據。磁導率與應力的關系研究一般在變化的機械應力場中進行，經過多年的研究和實驗，積累了大量的實驗數據之后，俄羅斯動力診斷公司提出以下關系式:

(1)

式中為鐵磁材料加載后的磁導率，為無應力時的初始磁導率，為與材料本身性質相關的常數，，，，為系數，與應力的加載方向與大小有關。

2 去應力退火工藝參數的設計

本實驗采用工業中廣泛使用的45#鋼，加工成長120mm、寬30mm、厚5mm的矩形試樣，經過線切割加工，具有較大的殘余應力，采用300度裝爐，加熱到400-650℃，保溫2～4h后隨爐冷至200-300℃，出爐后采用自然冷卻至室溫的方法。

2.1 保溫溫度

退火保溫溫度是影響區應力效果的最重要的因素。溫度過低，工件不可能在較短的時間內完成局部應力松弛的塑性變形;溫度過高，不僅會使工件的力學性能破壞，還會產生較大的彎曲形變，甚至相變。消除應力處理的加熱溫度根據材料不同而不同，一般將工件加熱到Ac1以下100～200℃。

2.2 保溫時間

去除機械加工工件的殘余應力，不僅要達到一定的溫度，還要保證足夠的時間提供給局部塑性變形和應力釋放。本實驗用的試塊不是很厚，因此，保溫時間2～4h，就能很好的去除殘余應力。

2.3 加熱和冷卻速度

由材料的化學成分、工件大小和形狀等因素決定，鋼中的碳含量越高或元素越多，鋼的導熱性就越低，鋼的加熱、冷卻就應緩慢，工件的尺寸很大或截面的尺寸變化比較劇烈，加熱、冷卻也應緩慢。這樣考慮的目的是為了避免鋼在很快加熱、冷卻時，留下很大的殘余內應力，甚至導致試件變形或生成裂紋。45#碳鋼加熱、冷卻速度控制在20～50℃/h，比較合適[1]。

3 實驗結果

3.1 試驗

本實驗采用俄羅斯動力診斷公司生產的TSC-1M-4應力集中檢測儀(四通道，其中一個通道測環境磁場)來采集數據(表面磁場強度)，掃描沿中心線進行(如圖1)，實驗數據如圖2。

從以上實驗結果，經分析發現，在不同的去應力退火條件下金屬磁記憶信號規律:

(1)試件在經過機械加工后，不同試件表面的金屬磁記憶信號差異較大;(2)在保溫時間充足的情況下，去應力退火保溫溫度不同，金屬磁記憶信號不同，且隨著溫度的升高(Ac1線下)，金屬磁記憶信號越強，在達到一定溫度后(550℃)，金屬磁記憶信號穩定;(3)在保證最佳去應力退火溫度情況下，保溫時間不同，金屬磁記憶信號不同，且隨著去應力退火時間加長，金屬磁記憶信號減小，且保溫時間過了一定限后(大約2.5h)，金屬磁記憶信號穩定。(4)同一試樣，保證最佳保溫溫度和充足的退火時間之后，金屬磁記憶信號基本保持穩定不變。

3.1 結果分析

試件在經過機械加工后，材料天然的微觀差異，機械加工過程的切削隨機差異，導致試件的殘余應力具有隨機性，因此，由磁致伸縮機械效應形成的金屬磁記憶信號也不盡相同。

在去應力退火時，隨著溫度的升高，試件屈服強度下降，當試件殘余應力大于加熱金屬的屈服強度時，試件在局部就會發生塑性變形，殘余應力就會釋放。殘余應力幅值的降低取決于保溫溫度下材料的屈服強度和蠕變特性，溫度越高(低于Ac1)，屈服強度越小，應力釋放越容易，保溫時間越長，殘余應力釋放越徹底，金屬磁記憶信號越相應越小。

保溫持續時間充足的試件，殘余應力釋放到一定程度后，試件的殘余應力低于此時溫度下的屈服強度，殘余應力也就不能繼續釋放，這些殘余應力自然就保留并穩定下來，金屬磁記憶信號減小到一定程度后也保持穩定不變。

4 結語

從實驗結果可以看出，去應力退火工藝的設計要充分考慮材料的性質，選擇合適的升溫、冷卻速度，保溫溫度和保溫時間，根據材料，選擇最佳的工藝參數，達到最大程度的去除殘余應力。

試件表面的金屬磁記憶信號很好的反應了試件表面的應力集中程度和殘余應力大小，殘余應力越大，金屬磁記憶信號也越強，兩者之間有一致的單調相關性，可以通過金屬磁記憶檢測技術來評價鐵磁性材料去應力退火的去應力程度。

本論文從理論和實踐驗證了金屬磁記憶檢測技術評價鐵磁性材料的退火去應力程度的可行性，進一步的定量評估還有待進一步的研究。

參考文獻

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[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.