磁測法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測中的應(yīng)用

張衛(wèi)亮

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

1 金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法設(shè)計

1.1 設(shè)定金屬鍛件疲勞強度參數(shù)

金屬鍛件殘余應(yīng)力的檢測越來越受到人們的重視，工業(yè)上檢測殘余應(yīng)力的方法有很多種，但是本文研究的檢測方法是基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法，通過設(shè)定金屬鍛件疲勞強度參數(shù)，來實現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測。

金屬鍛件出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象是指金屬鍛件在循環(huán)應(yīng)力作用下，在某些位置出現(xiàn)永久性損傷，無限循環(huán)后損傷處發(fā)生斷裂的過程。

圖1 金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測裝置框架圖

當(dāng)金屬鍛件的結(jié)構(gòu)多次受到載荷作用，殘余應(yīng)力值始終低于金屬鍛件本身的強度極限，在這種情況下，金屬鍛件的結(jié)構(gòu)就會被破壞，檢測金屬鍛件的殘余應(yīng)力可以延長金屬鍛件的使用壽命[2]，具體的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測裝置框架圖見圖1。

1.2 計算金屬鍛件疲勞強度

金屬鍛件疲勞強度計算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)，在壽命計算過程中，分為無限壽命計算和有限壽命計算，由于金屬鍛件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力傳遞的不平衡現(xiàn)象，有的位置應(yīng)力集中，有的位置應(yīng)力分散，與此同時，金屬鍛件的殘損處還會出現(xiàn)很多小的裂紋，在外力不斷循環(huán)作用下，裂紋會越來越嚴(yán)重，金屬鍛件能夠傳遞應(yīng)力部分越來越小，直到剩余金屬鍛件不能傳遞負(fù)載，即殘余應(yīng)力為0時，金屬鍛件就會完全被損壞。

金屬鍛件出現(xiàn)疲勞時產(chǎn)生的裂紋會給人們帶來很大的災(zāi)難，然而，金屬疲勞現(xiàn)象發(fā)生也有好處，利用金屬鍛件的疲勞特性可以制造殘余應(yīng)力斷料機，對不同性能的金屬材料的非金屬材料在某一位置發(fā)生疲勞斷裂，從而對材料進行切割，切割過程所消耗的時間非常短，一般只需要2秒以下的時間就足夠，一般情況下越是難以切割的金屬材料，人們越需要這種加工技術(shù)來實現(xiàn)。

根據(jù)工業(yè)部門提供的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，普通金屬鍛件的疲勞強度為40%～50%，在延長金屬鍛件使用壽命上仍然具有很大的發(fā)展空間，在磁測法應(yīng)用到金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測中，可以直接計算出金屬鍛件的疲勞強度，再結(jié)合金屬鍛件的屈服強度和應(yīng)力集中系數(shù)以及金屬鍛件尺寸大小和表面質(zhì)量來研究基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法。

1.3 確定金屬鍛件的屈服強度和應(yīng)力集中系數(shù)

金屬鍛件的屈服強度和應(yīng)力集中系數(shù)影響其疲勞強度。通常情況下，金屬鍛件的屈服強度越低，它的疲勞強度就越低，因此，想要降低金屬鍛件的疲勞強度就要先降低其屈服強度，對于同一種金屬鍛件來說，晶粒組織越粗屈服強度越低。

當(dāng)金屬鍛件發(fā)生疲勞斷裂時，通常是微觀裂紋在重復(fù)載荷作用下不斷擴展直至鍛件裂紋完全損壞，當(dāng)金屬鍛件受載時，如果鍛件的圓角處、凹槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，對殘余應(yīng)力集中敏感程度與金屬鍛件材料本身有關(guān)，通常采用殘余應(yīng)力集中系數(shù)來分析應(yīng)力集中對疲勞強度的影響，金屬鍛件的屈服強度和應(yīng)力集中系數(shù)越高，對應(yīng)力集中越敏感，其疲勞強度越大。

1.4 確定金屬鍛件尺寸大小和表面質(zhì)量

金屬鍛件尺寸大小和表面狀態(tài)對其疲勞強度也有一定影響。可以用金屬鍛件尺寸系數(shù)來表示金屬鍛件尺寸的大小對疲勞強度的影響，當(dāng)一切條件相同時，金屬鍛件尺寸越大，對其疲勞強度影響越明顯，主要原因就是金屬鍛件的晶粒比較粗，發(fā)生損壞的概率大；還可以用表面狀態(tài)系數(shù)來表示金屬斷件表面質(zhì)量對其疲勞強度的影響，加工后的金屬鍛件表面狀態(tài)的敏感程度很低，因此，金屬鍛件表面越粗糙，其表面狀態(tài)系數(shù)越低，所以給金屬鍛件提升加工質(zhì)量，能有效提高疲勞強度。

1.5 實現(xiàn)多因素檢測

首先，工業(yè)中最常用的殘余應(yīng)力檢測方法是在疲勞試驗機上模擬工作載荷檢測疲勞（斷裂）強度。疲勞強度是金屬鍛件性能指標(biāo)中比較常見的檢測項目，韌性好的金屬鍛件不容易發(fā)生脆斷破壞，尤其是溫度特別低的時候，金屬鍛件的韌性是非常重要的。在交變應(yīng)力條件下，疲勞強度指標(biāo)對于殘余應(yīng)力的檢測是非常重要的，如果金屬鍛件的疲勞強度低，就很容易出現(xiàn)疲勞斷裂，縮短使用壽命，嚴(yán)重時還會發(fā)生更危險的災(zāi)難性事故。

其次，外形合理化可以有效提高金屬鍛件的疲勞強度。金屬鍛件外形變化趨勢越激烈，其疲勞強度就越大，工業(yè)上一般采用改變金屬鍛件外形尺寸的方法來減小疲勞強度，如果金屬鍛件的橫截面積比較大，就會降低疲勞強度又不會影響金屬鍛件的使用壽命。設(shè)計金屬鍛件外形時，盡量避免帶有尖角的槽，在金屬鍛件的外形尺寸發(fā)生變化的位置，如果需要設(shè)計直角時，可以選擇直徑大的應(yīng)力集中區(qū)，這樣檢測的殘余應(yīng)力會比較準(zhǔn)確，可以有效延長金屬鍛件的使用壽命。在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測中，要根據(jù)實際情況避免不利因素影響金屬的疲勞強度，延長金屬鍛件的使用壽命。

2 實驗分析

實驗材料選擇同一種金屬鍛件，采用熱處理和加載處理工藝對金屬鍛件進行試樣處理，設(shè)置熱處理溫度為500攝氏度，溫度保持恒定的時間分別為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，實驗在不受其他外界環(huán)境因素影響的條件下進行，分別采用基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法和傳統(tǒng)殘余應(yīng)力檢測方法，對金屬鍛件進行不同溫度恒定時間的熱處理，記錄金屬鍛件的疲勞強度數(shù)據(jù)，金屬鍛件疲勞強度與溫度恒定時間關(guān)系圖見圖2。

圖2 金屬鍛件疲勞強度與溫度恒定時間關(guān)系圖

根據(jù)采用不同檢測方法得到的金屬鍛件疲勞強度與溫度恒定時間關(guān)系圖可知，溫度恒定的時間不同，兩種方法檢測出來的金屬鍛件疲勞程度有很大差別，很明顯，采用本文基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法檢測的金屬鍛件疲勞強度都在30%以下，而傳統(tǒng)殘余應(yīng)力檢測方法檢測的金屬鍛件疲勞強度很高，因此可以得出采用基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法能夠降低金屬鍛件的疲勞強度，從而延長金屬鍛件使用壽命。

3 結(jié)語

隨著工業(yè)發(fā)展的不斷進步，金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法需要進一步更新，本文磁測法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測中的應(yīng)用研究對延長金屬鍛件的使用壽命具有重要意義，為了延長金屬鍛件的使用壽命，強化金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法成為必然，雖然我國的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法已經(jīng)取得一番成就，但是距離發(fā)達(dá)國家金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法的發(fā)展還存在一定差距，突破原有的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法，推廣采用基于磁測法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測方法。本文的磁測法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測中的應(yīng)用對延長金屬鍛件的使用壽命研究具有支撐作用。希望本文的研究能為金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測提供可靠的方法依據(jù)，促進工業(yè)的發(fā)展。