脈沖磁場處理對SKD11模具鋼殘余拉應(yīng)力的影響機(jī)理分析

羅　丞　李正龍　曹洪志　張祥林

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

脈沖磁場處理對SKD11模具鋼殘余拉應(yīng)力的影響機(jī)理分析

羅丞李正龍曹洪志張祥林

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

摘要：為了探究脈沖磁場處理對SKD11鋼殘余應(yīng)力的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn)并得到了磁場強(qiáng)度、磁場頻率、磁場方向以及磁處理時(shí)間等參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)試樣殘余拉應(yīng)力的變化結(jié)果。同時(shí)從應(yīng)力的本質(zhì)入手，將磁處理過程劃分為位錯(cuò)塞積開動(dòng)和位錯(cuò)增殖兩個(gè)階段來分析，對試驗(yàn)現(xiàn)象做出了全面解釋，推導(dǎo)出了在第一階段中使位錯(cuò)塞積群克服點(diǎn)陣阻力所需的臨界磁場強(qiáng)度Hp的公式，以及在第二階段中使單個(gè)弗蘭克-瑞德位錯(cuò)源增殖所需的臨界磁場強(qiáng)度Hc的公式和使單個(gè)位錯(cuò)克服點(diǎn)陣阻力所需的臨界磁場強(qiáng)度的公式。最后，以試驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)為依據(jù)，建立了脈沖磁場處理在沖壓模具的應(yīng)用中需要遵循的原則。

關(guān)鍵詞：SKD11鋼；脈沖磁場處理；殘余拉應(yīng)力；位錯(cuò)；沖壓模具

0引言

高碳高鉻鋼SKD11是國內(nèi)精沖企業(yè)使用較多的沖壓模具鋼材，沖壓模具承受著高接觸壓力、劇烈摩擦，以及循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變，極易產(chǎn)生疲勞失效，導(dǎo)致模具壽命縮短。金屬疲勞失效的重要原因之一是金屬內(nèi)部位錯(cuò)的增殖與塞積，宏觀上表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力的集中與幅值提高[1]。脈沖磁場處理作為熱處理的替代技術(shù)，已被應(yīng)用于刀具的改性，但該技術(shù)在沖壓模具上的應(yīng)用鮮有報(bào)道，有鑒于此，筆者開展了相關(guān)研究。

目前，對于磁處理使鐵磁性金屬材料內(nèi)部殘余應(yīng)力降低的原因，大部分學(xué)者認(rèn)為是磁致伸縮導(dǎo)致應(yīng)力松弛和磁場能量增強(qiáng)了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)能力，這兩種理論均不能很好地解釋全部試驗(yàn)現(xiàn)象，且理論分析也多停留在定性的階段。本文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)來研究磁處理的機(jī)理，在得到相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果后，從應(yīng)力微觀本質(zhì)——位錯(cuò)的角度全面地分析了試驗(yàn)結(jié)果，首次將磁處理過程分為兩個(gè)階段，并且對磁處理的理論進(jìn)行了進(jìn)一步的完善。建立了脈沖磁場處理在沖壓模具的應(yīng)用中需要遵循的原則。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1試樣制備

為了在試樣內(nèi)部產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，需要對試樣進(jìn)行單軸拉伸，針對SKD11板材，參照金屬材料GBT228-2002拉伸試樣國家標(biāo)準(zhǔn)[2]，設(shè)計(jì)了尺寸如圖1所示的拉伸試樣。采用線切割加工外形輪廓，對表面進(jìn)行磨削加工，控制其表面粗糙度Ra為0.8～1 μm，磨削后試樣的厚度為1.8～2.0 mm。

(a)試樣尺寸(b)實(shí)際試樣圖1　拉伸試樣尺寸及實(shí)際試樣

磨削后試樣表面有100 MPa左右的壓應(yīng)力，這不利于后續(xù)拉伸試驗(yàn)中殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，需對試樣進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火后對試樣進(jìn)行單軸拉伸，拉伸量為2 mm，拉伸后會在試樣內(nèi)產(chǎn)生100～200 MPa且方向沿試樣軸向的單向拉應(yīng)力。

1.2試驗(yàn)環(huán)境

試樣性能的檢測主要涉及到殘余應(yīng)力的測量。試樣的磁處理位置見圖2，磁化器實(shí)物如圖3所示。

圖2　磁處理試樣位置示意圖

圖3　磁化器實(shí)物圖

X射線衍射法是最常用的直接測量殘余應(yīng)力的方法，具有較高的測量精度，不破壞材料且不受材料尺寸限制，目前被廣泛采用。本文測量殘余應(yīng)力采用X射線衍射法。試驗(yàn)采用的殘余應(yīng)力測試儀為日本島津公司生產(chǎn)的XRD-7000S型殘余應(yīng)力測試儀。

2單因素試驗(yàn)

2.1磁場強(qiáng)度單因素試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)結(jié)果

本單因素試驗(yàn)中，固定磁場頻率、磁場方向、磁場作用時(shí)間不變，只改變磁場強(qiáng)度，對試樣進(jìn)行磁處理，并測得處理前后試樣的表面殘余拉應(yīng)力值。參考文獻(xiàn)[3]，取磁場頻率f=1 Hz，磁場方向與主應(yīng)力方向的夾角α=90°，磁處理作用時(shí)間t=60 s，磁場強(qiáng)度B的取值為1.3 T、0.8 T、0.5 T、0.2 T、0.06 T。磁處理的結(jié)果如表1所示。

表1　變場強(qiáng)試驗(yàn)磁處理前后殘余應(yīng)力值

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

磁場強(qiáng)度對殘余拉應(yīng)力降幅的影響如圖4所示，磁場強(qiáng)度為0.2 T、0.06 T時(shí)，殘余拉應(yīng)力幾乎沒有變化；磁場強(qiáng)度為0.5 T時(shí)，殘余拉應(yīng)力的平均降幅約為6%；磁場強(qiáng)度為0.8 T時(shí)，殘余拉應(yīng)力的平均降幅約為10%；磁場強(qiáng)度為1.3 T時(shí)，殘余拉應(yīng)力的平均降幅突然升高，約為40%。說明，SKD11鋼中殘余拉應(yīng)力的降幅并不是隨著磁場強(qiáng)度線性變化的，脈沖磁場降低殘余拉應(yīng)力，存在一個(gè)磁場強(qiáng)度的閾值，磁場強(qiáng)度低于此閾值時(shí)，脈沖磁場對殘余拉應(yīng)力的降低可以忽略，磁場強(qiáng)度高于此值時(shí)，脈沖磁場對殘余拉應(yīng)力的降低才得以啟動(dòng)。

圖4　磁場強(qiáng)度對拉應(yīng)力降幅的影響曲線

2.2磁場頻率單因素試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

本單因素試驗(yàn)中，固定磁場強(qiáng)度、磁場方向、磁場作用時(shí)間不變，只改變磁場頻率，對試樣進(jìn)行磁處理，并測得處理前后試樣表面的殘余拉應(yīng)力值。

取磁場強(qiáng)度B=1.3 T，磁場方向與主應(yīng)力方向的夾角α=90°，磁處理作用時(shí)間t=60 s。磁場頻率f的取值為1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz。磁處理的結(jié)果如表2所示。

表2　變頻率試驗(yàn)磁處理前后殘余應(yīng)力值

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知，脈沖磁場頻率在1～15 Hz范圍內(nèi)，頻率這一因素對殘余拉應(yīng)力的降幅的影響不顯著。

2.3磁場方向與拉應(yīng)力方向間夾角單因素試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

本單因素試驗(yàn)中，固定磁場強(qiáng)度、磁場頻率、磁場作用時(shí)間不變，只改變磁場方向與拉應(yīng)力方向間夾角α，對試樣進(jìn)行磁處理，并測得處理前后試樣表面的殘余拉應(yīng)力值。

取磁場強(qiáng)度B=1.3 T，磁場頻率f=1 Hz，磁處理作用時(shí)間t=60 s。本文只選取具有代表性的0°與90°角進(jìn)行定性研究。磁處理的結(jié)果如表3所示。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

磁場與拉應(yīng)力方向間的夾角α為90°，即磁場方向垂直于拉應(yīng)力方向時(shí)，拉應(yīng)力的平均降幅為42.5%；α為0°，即磁場方向平行于拉應(yīng)力方向時(shí)，拉應(yīng)力的平均降幅較小，為7.56%。α為90°時(shí)拉應(yīng)力的降幅遠(yuǎn)大于α為0°時(shí)拉應(yīng)力的降幅。

2.4磁場作用時(shí)長單因素試驗(yàn)

2.4.1試驗(yàn)結(jié)果

本單因素試驗(yàn)中，固定磁場強(qiáng)度、磁場頻率、磁場方向與拉應(yīng)力方向間夾角α不變，只改變磁場作用時(shí)間，對試樣進(jìn)行磁處理，并測得處理前后，試樣表面的殘余拉應(yīng)力值。

取磁場強(qiáng)度B=1.3 T，磁場頻率f=1 Hz，α=90°。磁處理的時(shí)長t的取值為5 s、30 s、60 s、120 s、600 s。磁處理的結(jié)果如表4所示。

2.4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

磁處理時(shí)長對拉應(yīng)力降幅的影響結(jié)果如圖5所示，磁處理時(shí)長為5 s時(shí)，殘余拉應(yīng)力平均降幅約為10%；磁處理時(shí)長為30 s時(shí)，殘余拉應(yīng)力平均降幅約為30%；磁處理時(shí)長為60 s、120 s時(shí)，殘余拉應(yīng)力平均降幅約為40%；磁場時(shí)長為600 s時(shí)，殘余拉應(yīng)力平均降幅約為20%。

表4　變磁處理時(shí)長試驗(yàn)磁處理前后殘余應(yīng)力值

圖5　磁處理時(shí)長對拉應(yīng)力降幅的影響結(jié)果

SKD11鋼中殘余拉應(yīng)力的降幅并不是隨著磁處理時(shí)長的增加而單調(diào)增大的，隨著磁處理時(shí)長的增加，殘余拉應(yīng)力的降幅會出現(xiàn)一個(gè)極大值，過了此極大值點(diǎn)，拉應(yīng)力的降幅會減小。

3試驗(yàn)結(jié)果的微觀本質(zhì)分析

3.1材料應(yīng)力的微觀本質(zhì)

位錯(cuò)在晶體中的存在，使其周圍原子偏離平衡位置，而導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變和彈性應(yīng)力場的產(chǎn)生。一般而言，晶體內(nèi)的位錯(cuò)密度越大，晶體內(nèi)應(yīng)力的絕對值越大；晶體內(nèi)位錯(cuò)集中的地方，也往往伴隨著應(yīng)力的集中。單因素試驗(yàn)中，試樣材料的殘余拉應(yīng)力與微觀硬度的大小發(fā)生變化，從微觀本質(zhì)上講，是材料內(nèi)部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與增殖的結(jié)果。

3.2磁場作用下的位錯(cuò)受力分析

晶體中位錯(cuò)產(chǎn)生的應(yīng)力場通過磁彈性耦合和磁化而相互作用。疇壁能依賴于應(yīng)力，在位錯(cuò)的應(yīng)力場中疇壁能隨疇壁與位錯(cuò)的距離和相對取向而變，因而疇壁受力pw。另一方面，疇壁中磁化矢量的方向與兩側(cè)磁疇不同，隨坐標(biāo)而轉(zhuǎn)動(dòng)，自發(fā)形變亦隨之而變，在疇壁中及疇壁周圍產(chǎn)生應(yīng)力場。位錯(cuò)處于疇壁的應(yīng)力場σM中受到的作用力pd與疇壁在位錯(cuò)場中受到的作用力pw恰為作用力與反作用力，即pw=-pd，有[4]

pw=-pd=-∫dl×σMb

(1)

式中，b為伯格斯矢量；σM為疇壁產(chǎn)生的應(yīng)力張量；dl為位錯(cuò)線元。

SKD11鋼中磁疇以180°疇為主，為了簡化分析，本文只考慮刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場與疇壁應(yīng)力場的相互作用，簡化后的疇壁與位錯(cuò)相互作用模型示意圖見圖6。由式(1)可粗略地認(rèn)為，磁化穩(wěn)定時(shí)，位錯(cuò)線穿過疇壁的刃型位錯(cuò)受到外磁場H的作用而獲得的切應(yīng)力為

τH=pdcosβ=2μ0HMslcosβ

(2)

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；Ms為飽和磁化矢量；l為位錯(cuò)線的長度；β為位錯(cuò)伯格斯矢量b與外加磁場H的夾角的補(bǔ)角(H與pd平行)。

圖6　疇壁與刃型位錯(cuò)的相互作用模型

3.3磁場作用下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與增殖的階段性分析

(1)第一階段——位錯(cuò)塞積群的開動(dòng)。圖7為位錯(cuò)塞積群模型示意圖。假設(shè)障礙(晶界)只施加短程作用力，且只和位錯(cuò)群中領(lǐng)先的位錯(cuò)相互作用。設(shè)位錯(cuò)塞積群對晶界作用的合力大小為τa，則領(lǐng)先位錯(cuò)受到方向相反、大小相等的作用力τ。設(shè)在外磁場作用下，單個(gè)位錯(cuò)受到的力為τH0，位錯(cuò)塞積群中有n個(gè)位錯(cuò)，則領(lǐng)先位錯(cuò)和晶界受到的作用力為

τ=τa=nτH0=2nμ0HMslcosβ

(3)

圖7　位錯(cuò)塞積群模型示意圖

由式(3)可知，當(dāng)施加一個(gè)外加磁場時(shí)，若材料中存在位錯(cuò)塞積群，則晶界與塞積群中“緊貼”晶界(障礙)的領(lǐng)先位錯(cuò)的受力相對于沒有塞積群時(shí)放大了n倍。

位錯(cuò)要在晶體中滑移，其受到的切應(yīng)力必須克服晶體中的點(diǎn)陣阻力，計(jì)算克服點(diǎn)陣阻力的臨界切應(yīng)力的常用模型為佩爾斯-納巴羅模型[5]，根據(jù)該模型求得的臨界切應(yīng)力為

(4)

式中，G為該材料的切變模量；γ為該材料的泊松比；a為晶體與相鄰晶面的間距。

由式(3)和式(4)可粗略地計(jì)算出使位錯(cuò)塞積群開動(dòng)的臨界外磁場的強(qiáng)度，該臨界場強(qiáng)Hp即為磁場強(qiáng)度單因素試驗(yàn)中提到的閾值:

(5)

由式(5)可知，位錯(cuò)塞積群的存在大大降低了使位錯(cuò)開動(dòng)的臨界外磁場的大小，當(dāng)外磁場強(qiáng)度大于臨界場強(qiáng)時(shí)，位錯(cuò)塞積開動(dòng)，位錯(cuò)解塞，從而使位錯(cuò)在晶體中分布得更加均勻，位錯(cuò)的纏結(jié)減少，雖然此時(shí)晶體中位錯(cuò)的平均密度并未降低，但是晶界及障礙處的局部位錯(cuò)密度大大降低。局部位錯(cuò)密度的大大降低，在宏觀上表現(xiàn)為殘余應(yīng)力的降低。

晶體中有眾多的位錯(cuò)塞積群，不同位錯(cuò)塞積群所包含位錯(cuò)的數(shù)目n是不一樣的，n越小，塞積群開動(dòng)需要的臨界外磁場的強(qiáng)度就越大。故外加磁場的場強(qiáng)越大，磁場所能開動(dòng)的塞積群就越多，磁處理后晶體內(nèi)的位錯(cuò)就分布得越均勻，應(yīng)力下降的幅值就越大，這點(diǎn)在磁場強(qiáng)度單因素試驗(yàn)中得到了證實(shí)。

由式(2)和式(3)可知，位錯(cuò)伯格斯矢量b與外加磁場的夾角β對位錯(cuò)所受的作用力有很大的影響，當(dāng)β=90°時(shí)，作用力的理論值為0，此時(shí)磁處理后應(yīng)力的降幅很小，β=0°時(shí)，作用力最大，此時(shí)磁處理后應(yīng)力的降幅最大。β=90°和β=0°分別對應(yīng)于磁場方向單因素試驗(yàn)中α=0°和α=90°。

(2)第二階段——均化分布后位錯(cuò)的增殖。拉伸試樣中位錯(cuò)塞積群的開動(dòng)和位錯(cuò)的均化分布完成以后，如果繼續(xù)施加外加磁場，則由式(2)，在外磁場的作用下，位錯(cuò)將繼續(xù)受到切應(yīng)力τH的作用，若τH足夠大，則會發(fā)生位錯(cuò)的增殖。

目前引用最廣的一種位錯(cuò)增殖機(jī)制是弗蘭克-瑞德源[6]：設(shè)想晶體中有一段位錯(cuò)線兩端被釘住，在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)線由于滑移而變彎曲，而位錯(cuò)所受作用力恒與位錯(cuò)線相垂直，位錯(cuò)的發(fā)展情況如圖8所示，當(dāng)彎曲的線段相互靠近時(shí)，可以互相抵消，形成一閉合的位錯(cuò)圈和一段短線，這樣的過程可以反復(fù)進(jìn)行下去，源源不斷地產(chǎn)生新的位錯(cuò)圈，當(dāng)位錯(cuò)圈和晶體表面相截，就形成了臺階，這就是滑移線。

圖8　運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的弗蘭克-瑞德源

使弗蘭克-瑞德源動(dòng)作所需的臨界切應(yīng)力τc決定于運(yùn)轉(zhuǎn)中位錯(cuò)線的最大曲率，當(dāng)位錯(cuò)線呈半圓形時(shí)，曲率為最大值，此時(shí)可求出

(6)

當(dāng)磁場對位錯(cuò)的作用力τH=τc時(shí)，則在磁場的作用下，位錯(cuò)將發(fā)生過增殖，結(jié)合式(2)與式(6)可得促使弗蘭克-瑞德位錯(cuò)源增殖的臨界場強(qiáng)：

(7)

由于此階段位錯(cuò)的塞積已經(jīng)被清除，位錯(cuò)已均化分布，故此時(shí)，考慮克服點(diǎn)陣阻力滑移所需的臨界場強(qiáng)時(shí)，應(yīng)針對單個(gè)位錯(cuò)，即將式(5)中等式右邊分母中的n去掉，從而得到使單個(gè)位錯(cuò)克服點(diǎn)陣阻力而滑移所需的臨界場強(qiáng)為

(8)

綜合以上分析，外加磁場對SKD11鋼拉伸試樣中位錯(cuò)的作用，可以被劃分為兩個(gè)階段。首先，若外加磁場強(qiáng)度大于使位錯(cuò)塞積群開動(dòng)所需的臨界場強(qiáng)Hp，則發(fā)生位錯(cuò)塞積的開動(dòng)以及位錯(cuò)的均化分布，從而使局部位錯(cuò)密度大大降低，使得殘余拉應(yīng)力和硬度降低；當(dāng)位錯(cuò)的均化分布完成以后，若外加磁場強(qiáng)度大于使位錯(cuò)源增殖所需的臨界場強(qiáng)Hc，則在外加磁場繼續(xù)作用下，會發(fā)生位錯(cuò)的增殖，從而使位錯(cuò)密度升高，此時(shí)材料中的殘余拉應(yīng)力和硬度值又會略有升高。

若鐵磁性材料試樣內(nèi)部位錯(cuò)的初始態(tài)已是均化分布的狀態(tài)(去應(yīng)力退火態(tài))，則對該試樣進(jìn)行磁處理時(shí)，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度大于使位錯(cuò)源增殖所需的臨界場強(qiáng)時(shí)，則位錯(cuò)增殖，位錯(cuò)密度升高。該磁處理過程無第一階段而只有第二階段，此時(shí)試樣的硬度和內(nèi)部的殘余應(yīng)力會直接升高。

4結(jié)論

(2)磁場與應(yīng)力方向間夾角對磁處理效果有較大影響。

(3)脈沖磁場的頻率對磁處理效果影響不大，從節(jié)能和降低設(shè)備成本的角度來看，最好采用1～5Hz低頻脈沖磁場。

(4)磁處理的時(shí)間并不是越長越好，磁處理時(shí)間過長，反而會導(dǎo)致應(yīng)力降幅的減小，對于特定材料和特定磁場工藝參數(shù)組合，最合適的磁處理時(shí)間不一樣，應(yīng)該通過試驗(yàn)來確定最適合的磁處理時(shí)長。

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[3]唐非，鹿安理，方慧珍，等.一種降低殘余應(yīng)力的新方法——脈沖磁處理法[J].焊接學(xué)報(bào)，2000，21(2)：29-31.

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(編輯王艷麗)

Influence Mechanism of Residual Tensile Stress in SKD11 Steel Caused by Pulse Magnetic Field Treatment

Luo ChengLi ZhenglongCao HongzhiZhang Xianglin

State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

Abstract:Sevel single factor experiments were designed to explore the influence mechanism of residual tensile stress in the SKD11 steel by PMT.When the magnetic field strength, the magnetic field frequency, magnetic field direction and the processing time were varied individually,the changes of residual tensile stress in the sample were obtained.All experimental phenomena were explained from the angle of dislocation-nature of the stress. Process of PMT was divided into two stages in the explanation. The first stage was un-piling of the dislocation pile-up group and the second was multiplication of dislocation. Formula of Hp was deduced and Hp was the critical magnetic field strength which started the un-piling of dislocation pile-up group in the first stage. Formula of Hc and were deduced. In the second stage,Hc was the critical magnetic field strength which started multiplication of a single Frank-Read dislocation source and was the critical magnetic field strength which made a single dislocation overcome the lattice resistance. The principals of PMT in the applications to stamping die were established based on the experiments and the theory.

Key word:SKD11 steel; pulse magnetic field treatment(PMT); residual tensile stress; dislocation; stamping die

收稿日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：湖北省重大專項(xiàng)(2015BAA015)；國家科技重大專項(xiàng)(2009ZX04014-073-04)

中圖分類號：TG76

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.021

作者簡介：羅丞，男,1994年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。研究方向?yàn)榫珱_模具壽命及精沖零件塌角。李正龍，男，1988年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。曹洪志，男，1990年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。張祥林，男，1963年生。華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。