磁測法在金屬鍛件殘余應力檢測中的應用

張衛亮

（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 金屬鍛件殘余應力檢測方法設計

1.1 設定金屬鍛件疲勞強度參數

金屬鍛件殘余應力的檢測越來越受到人們的重視，工業上檢測殘余應力的方法有很多種，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力檢測方法，通過設定金屬鍛件疲勞強度參數，來實現殘余應力的檢測。

金屬鍛件出現疲勞現象是指金屬鍛件在循環應力作用下，在某些位置出現永久性損傷，無限循環后損傷處發生斷裂的過程。

圖1 金屬鍛件殘余應力檢測裝置框架圖

當金屬鍛件的結構多次受到載荷作用，殘余應力值始終低于金屬鍛件本身的強度極限，在這種情況下，金屬鍛件的結構就會被破壞，檢測金屬鍛件的殘余應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力為基礎，在壽命計算過程中，分為無限壽命計算和有限壽命計算，由于金屬鍛件內部結構不均勻，容易出現應力傳遞的不平衡現象，有的位置應力集中，有的位置應力分散，與此同時，金屬鍛件的殘損處還會出現很多小的裂紋，在外力不斷循環作用下，裂紋會越來越嚴重，金屬鍛件能夠傳遞應力部分越來越小，直到剩余金屬鍛件不能傳遞負載，即殘余應力為0時，金屬鍛件就會完全被損壞。

金屬鍛件出現疲勞時產生的裂紋會給人們帶來很大的災難，然而，金屬疲勞現象發生也有好處，利用金屬鍛件的疲勞特性可以制造殘余應力斷料機，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來實現。

根據工業部門提供的數據進行統計分析，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展空間，在磁測法應用到金屬鍛件殘余應力檢測中，可以直接計算出金屬鍛件的疲勞強度，再結合金屬鍛件的屈服強度和應力集中系數以及金屬鍛件尺寸大小和表面質量來研究基于磁測法的金屬鍛件殘余應力檢測方法。

1.3 確定金屬鍛件的屈服強度和應力集中系數

金屬鍛件的屈服強度和應力集中系數影響其疲勞強度。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。

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

1.4 確定金屬鍛件尺寸大小和表面質量

金屬鍛件尺寸大小和表面狀態對其疲勞強度也有一定影響?？梢杂媒饘馘懠叽缦禂祦肀硎窘饘馘懠叽绲拇笮ζ趶姸鹊挠绊懀斠磺袟l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，發生損壞的概率大；還可以用表面狀態系數來表示金屬斷件表面質量對其疲勞強度的影響，加工后的金屬鍛件表面狀態的敏感程度很低，因此，金屬鍛件表面越粗糙，其表面狀態系數越低，所以給金屬鍛件提升加工質量，能有效提高疲勞強度。

1.5 實現多因素檢測

首先，工業中最常用的殘余應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中比較常見的檢測項目，韌性好的金屬鍛件不容易發生脆斷破壞，尤其是溫度特別低的時候，金屬鍛件的韌性是非常重要的。在交變應力條件下，疲勞強度指標對于殘余應力的檢測是非常重要的，如果金屬鍛件的疲勞強度低，就很容易出現疲勞斷裂，縮短使用壽命，嚴重時還會發生更危險的災難性事故。

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生變化的位置，如果需要設計直角時，可以選擇直徑大的應力集中區，這樣檢測的殘余應力會比較準確，可以有效延長金屬鍛件的使用壽命。在金屬鍛件殘余應力檢測中，要根據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力檢測方法和傳統殘余應力檢測方法，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據，金屬鍛件疲勞強度與溫度恒定時間關系圖見圖2。

圖2 金屬鍛件疲勞強度與溫度恒定時間關系圖

根據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力檢測方法檢測的金屬鍛件疲勞強度都在30%以下，而傳統殘余應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 結語

隨著工業發展的不斷進步，金屬鍛件殘余應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力檢測中的應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力檢測方法成為必然，雖然我國的金屬鍛件殘余應力檢測方法已經取得一番成就，但是距離發達國家金屬鍛件殘余應力檢測方法的發展還存在一定差距，突破原有的金屬鍛件殘余應力檢測方法，推廣采用基于磁測法的金屬鍛件殘余應力檢測方法。本文的磁測法在金屬鍛件殘余應力檢測中的應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力檢測提供可靠的方法依據，促進工業的發展。