基于矯頑力的無損評(píng)估技術(shù)在碳鋼熱處理質(zhì)量預(yù)評(píng)定中的應(yīng)用

常規(guī)的熱處理質(zhì)量評(píng)定方法有金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)，需要對(duì)材料進(jìn)行切割、拋光等破壞性加工，效率低下，且抽樣檢驗(yàn)的方法不適用于質(zhì)量要求嚴(yán)格、需逐個(gè)檢驗(yàn)的工件。為了更好地節(jié)約鋼鐵材料熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的時(shí)間和成本，引入無損檢測(cè)技術(shù)的需求越來越大。利用磁性方法進(jìn)行無損檢測(cè)可直接得到材料的磁性能參數(shù)(矯頑力Hc、剩磁Br、磁滯損耗和飽和磁化強(qiáng)度Ms等，其中矯頑力是描述材料磁滯特性的典型參數(shù)，源于磁疇壁運(yùn)動(dòng)的不可逆性)與材料性能的關(guān)系，已廣泛應(yīng)用于鋼和鑄鐵工件的檢驗(yàn)中。雖然通過監(jiān)測(cè)鋼鐵材料的磁性參數(shù)可以對(duì)鋼鐵材料的晶粒尺寸、相含量、熱處理?xiàng)l件和力學(xué)性能等進(jìn)行評(píng)價(jià)，但多種冶金因素都有可能影響材料的磁性能和力學(xué)性能，因此需要進(jìn)行深入研究，以便在實(shí)際情況下更好地應(yīng)用這些技術(shù)。研究各種磁性能參數(shù)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，既有助于熱處理質(zhì)量的精確控制，也有助于磁性無損檢測(cè)技術(shù)在鋼鐵性能評(píng)估中的應(yīng)用?；诔C頑力的無損評(píng)估技術(shù)鐵磁性材料可通過外部施加的時(shí)變電磁場(chǎng)進(jìn)行磁化，從而發(fā)生疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)，該過程可利用磁滯回線表示。磁滯特性取決于材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，磁疇壁在運(yùn)動(dòng)過程中必須克服各種微結(jié)構(gòu)障礙，這是出現(xiàn)磁滯行為的本質(zhì)原因?；诖艤袨榕c微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、局部缺陷間的相互關(guān)系可開發(fā)出磁滯無損評(píng)估技術(shù)，用于評(píng)估材料微觀結(jié)構(gòu)和缺陷密度變化導(dǎo)致的相應(yīng)力學(xué)性能的變化，從而表征材料的固有特性。

圖1低碳鋼試樣的典型磁化曲線

由圖1可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H具有非單值性，同時(shí)B-H曲線還具有非線性及飽和性。根據(jù)經(jīng)典的直流磁化和循環(huán)理論，鐵磁性材料的矯頑力是由阻止磁疇邊界不可逆位移的平均力決定的，微結(jié)構(gòu)障礙可能是夾雜物、位錯(cuò)、殘余應(yīng)力、晶界以及其他晶格不均勻性和缺陷。當(dāng)晶體內(nèi)部夾雜物的釘扎效應(yīng)起主要作用時(shí)，矯頑力可由下式表示：式中：Hc1為小尺寸夾雜物引起的矯頑力；Hc2為大尺寸夾雜物引起的矯頑力；din為夾雜物的平均直徑；Lz為磁疇體的當(dāng)量長(zhǎng)度；ρin為體積密度；δ180為夾雜物的厚度；Sδ為夾雜物的面積；γ180為180°磁疇壁單位面積的表面能；Ms為飽和磁化強(qiáng)度；μ0為常數(shù)。當(dāng)晶體內(nèi)部位錯(cuò)引起的應(yīng)力起主要作用時(shí)，矯頑力可表示為：式中：r為位錯(cuò)密度；G為彈性模量；μ為泊松比；b為Burgers參量；λs為飽和磁致伸縮量。由以上公式可知，矯頑力對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分非常敏感，在很多情況下，其與力學(xué)性能也有很好的相關(guān)性，而且不受尺寸和提離效應(yīng)的影響。鋼鐵材料經(jīng)過熱處理后，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，矯頑力也隨之變化，因此可通過測(cè)定熱處理前后鋼鐵件的矯頑力來表征其微觀結(jié)構(gòu)和性能變化。顯微組織與矯頑力的關(guān)系1試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料為某高碳鋼，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.855％C，0.21％Si，0.51％Mn，0.01％P，0.006％S。通過調(diào)節(jié)奧氏體化溫度、等溫冷卻或連續(xù)冷卻等熱處理?xiàng)l件來改變?cè)嚇语@微組織(見表1)，并將部分試樣在700℃下進(jìn)行150h的球化熱處理，以形成穩(wěn)定的鐵素體相，然后使用振動(dòng)探針式磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量試樣的矯頑力，每個(gè)試樣測(cè)量5次取平均值。表1高碳鋼試樣的熱處理?xiàng)l件及對(duì)應(yīng)的顯微組織2試驗(yàn)結(jié)果與討論試驗(yàn)用高碳鋼在不同熱處理?xiàng)l件下的3種典型顯微組織如圖2所示。

圖2不同熱處理?xiàng)l件下高碳鋼試樣的典型顯微組織形貌圖2a)所示為水淬冷卻獲得的板條馬氏體，圖2b)所示為經(jīng)過連續(xù)冷卻獲得的層狀珠光體，圖2c)所示為經(jīng)過球化處理后獲得的鐵素體＋球狀滲碳體。對(duì)試樣的矯頑力進(jìn)行測(cè)量，得到1，2號(hào)試樣的矯頑力分別為2.70，2.70kA·m-1；3，4號(hào)試樣的矯頑力分別為1.79，1.63kA·m-1；5，6號(hào)試樣的矯頑力分別為1.45，1.47kA·m-1?？梢钥闯鲴R氏體的矯頑力平均值(2.70kA·m-1)遠(yuǎn)高于珠光體的(1.71kA·m-1)和鐵素體的(1.46kA·m-1)。這是因?yàn)榘鍡l馬氏體的位錯(cuò)密度非常高，位錯(cuò)線相互聚集和糾纏，引起周圍微應(yīng)力集中，從而固定磁疇壁，形成較強(qiáng)的釘扎效應(yīng)。從這個(gè)意義上講，馬氏體相的高矯頑力源于位錯(cuò)引起的微應(yīng)力集中，當(dāng)然過飽和間隙碳原子也可能阻礙磁疇壁移動(dòng)，從而產(chǎn)生更高的矯頑力。對(duì)于珠光體相，有學(xué)者認(rèn)為鐵素體基體與滲碳體片層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力使得磁疇壁更傾向于固定在滲碳體片層，層間距越小，兩相之間的接觸面越大，阻礙磁疇壁移動(dòng)的概率越高。球化處理的試樣顯微組織為鐵素體＋球狀滲碳體，其矯頑力主要源于滲碳體顆粒對(duì)磁疇壁的阻礙，相對(duì)于上述兩種釘扎效應(yīng)，該條件下產(chǎn)生的矯頑力最小。因此，不同顯微組織的矯頑力大小順序可初步確定為：Hc馬氏體＞Hc珠光體＞Hc鐵素體。不同的顯微組織或相決定了不同的矯頑力水平，這將有助于快速辨別鋼鐵件熱處理后的顯微組織。力學(xué)性能與矯頑力的關(guān)系1試驗(yàn)方法試驗(yàn)材料為某低碳鋼，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.168％C，0.025％Si，1.34％Mn，0.031％Al，0.011％Cr，0.007％S，0.013％P，0.006％Cu，0.011％Ni，0.005％N，0.028％Ti，0.048％V。將試驗(yàn)材料加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后分為3組，每組對(duì)應(yīng)一種特定的熱處理工藝，見表2。表2低碳鋼試樣的熱處理?xiàng)l件采用通用硬度計(jì)測(cè)量熱處理后試樣的維氏硬度，載荷為9.8N(1kgf)；利用250kN萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試；便攜式無損檢測(cè)儀在磁化場(chǎng)強(qiáng)度80kA·m-1和磁化頻率50MHz條件下進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)后，對(duì)試樣的磁滯參量進(jìn)行測(cè)量，然后分析矯頑力與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系。2試驗(yàn)結(jié)果與討論3組試樣的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3低碳鋼試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果采用水淬、油淬的冷卻方式(第8，9組)，試樣顯微組織以板條馬氏體為主，其強(qiáng)度和硬度均較高，塑性較差。采用空冷的冷卻方式(第7組)，試樣顯微組織以層狀珠光體為主，其強(qiáng)度和硬度較低，塑性明顯提高。矯頑力可以用來表征鋼鐵材料的磁硬度，故與力學(xué)性能密切相關(guān)。在油淬和水淬冷卻條件下，隨著馬氏體轉(zhuǎn)變及擴(kuò)散作用，磁疇壁的釘扎效應(yīng)導(dǎo)致矯頑力變大，位錯(cuò)阻塞也使得材料強(qiáng)度或硬度相應(yīng)提高?？绽鋾r(shí)，磁性能與力學(xué)性能的變化則源于珠光體帶的破壞和長(zhǎng)大過程。珠光體層間距變化或滲碳體分化也會(huì)引起磁性能和力學(xué)性能改變。圖3矯頑力與低碳鋼試樣力學(xué)性能的關(guān)系曲線矯頑力與低碳鋼試樣力學(xué)性能的關(guān)系如圖3所示，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合，可得到矯頑力與力學(xué)性能的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，具體如下：σs＝28.7Hc＋177.4，R2＝0.7

(4)σb＝133.9Hc－397.1，R2＝0.91

(5)δ＝－5.47Hc＋71.1，R2＝0.77

(6)HV＝44.76Hc－136.8，R2＝0.9

(7)式中：HV為硬度；R2為擬合度。

由式(4)~(7)可知，不同熱處理?xiàng)l件下，低碳鋼試樣的力學(xué)性能與矯頑力近似成線性關(guān)系，這說明通過監(jiān)測(cè)鋼鐵材料的矯頑力變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能的定量預(yù)測(cè)。其中矯頑力與抗拉強(qiáng)度和硬度的關(guān)系曲線的擬合度高達(dá)0.9，可優(yōu)先作為評(píng)估指標(biāo)。除此之外，有研究證明矯頑力與掃頻激勵(lì)法對(duì)力學(xué)性能的評(píng)估結(jié)果具有很好的一致性，表明基于矯頑力的無損評(píng)估方法可用來預(yù)評(píng)估熱處理后鋼鐵件力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。結(jié)論(1)矯頑力對(duì)碳鋼顯微組織非常敏感，馬氏體相由于高密度位錯(cuò)阻礙磁疇壁移動(dòng)，其矯頑力最大；珠光體相鐵素體基體與滲碳體