CN111855717B - 一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，首先探究不同场强磁处理的试样的残余应力的影响，即包括残余压应力和残余拉应力，通过对试样进行喷丸试验和拉伸试验分别引入残余压应力和残余拉应力，采用X射线衍射仪对试样进行残余应力测试。然后，从微观角度分析残余应力值的变化，利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。最后，初步探索出脉冲磁处理对试样残余应力的影响机理。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学技术领域，特别涉及一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法。
背景技术
残余应力在机械制造和材料加工过程中均会产生，其对零件和材料的疲劳性能、物理力学性能、结构强度、耐腐蚀性等都会产生显著的影响。例如，工件中存在残余压应力时，这种状态使其内部材料抵消一部分载荷应力，从而提高了其疲劳强度，而当工件中存在残余拉应力时，其疲劳强度就会降低；若工件在加工之前已经存在残余应力，其加工后的尺寸精度就会受到影响，工件也会产生新的变形，严重的可能直接作废。所以，降低工件的有害残余应力是提高材料性能较为关键的工艺。
磁处理技术对材料残余应力的定性研究最早开始于20世纪90年代初，美国Innovex公司就已经研发出一种装置，该装置能够通过脉冲磁处理来降低工具钢材料内部的残余应力。但由于残余应力的内部状态很难判断，所以该公司只是对磁处理效果的产生原因做了简单的解释，并未对磁处理后材料的残余应力降低进行机理性分析和定量研究。
国内的研究学者做了相关研究，清华大学最早的磁处理研究者唐非等人对碳素钢的残余应力进行磁处理后发现，与以往的消除残余应力方法不同，即磁处理法不仅使应力峰值下降，更使应力整体分布水平下降。鹿安理等研究者还对其具有均匀拉伸应力的单向拉伸试样分别进行低频脉冲和强脉冲交变磁场处理后发现，试样的内部拉伸应力均有明显的下降趋势，而其将应力下降的原因归结于试样内部的磁致振动现象，并将磁致振动的变化归结于试样内部磁致伸缩应变的变化，即磁致伸缩应变越大，其磁致振动就越大，进而导致试样内部应力的松弛，宏观上表现为残余应力的降低。
现有齿轮制造强化工艺按强化内因，主要分为两类：材料相变/改性强化与应变强化。
相变/改性强化，指齿轮整体或强化层材料经历高温冷却过程，通过材料相变或强化元素引入，生成强度/硬度较高的相组织或硬质颗粒。此类工艺需要经历高温相变-快速冷却过程，原有组织(如锻造流线组织)易受到破坏、冷却不均匀造成内应力较大、温度控制不当易生成有害相、变形控制难度大等问题突出。虽然表面淬火(如感应、激光、电子束淬火等)有助于改善变形，然而高温-快冷的方式仍造成局部应力集中、工艺控制精度不高等问题。
应变强化工艺，指齿轮表面在室温下经历一定塑性变形，通过应变强化实现屈服强度提高，并引入适当的压应力。这类工艺有效避免了温度变化引起相变的问题，然而存在强化层难以有效控制(喷丸、超声喷丸)、强化效率低(激光喷丸、超声挤压)、设备昂贵(激光喷丸)、粗糙度差等问题。
重载齿轮高端制造技术始终是国内外工业界、军工部门、研究机构的重点内容之一，近20年一批新的技术不断发展并工程应用，如真空渗碳+高压气淬、激光喷丸、双频感应淬火等。美国齿轮制造协会(AGMA)2010年北美热处理年会(ASM Heat TreatSocietyMeeting)中提出，齿轮高端制造强化技术必须满足以下特点：保持或生成优异的微观组织，精确控制应力演化与最终状态，最小化变形，具有可适应性的效率等。近年来随着强磁场技术与材料技术的迅猛发展，在传统热、力等强化驱动力外，脉冲磁场为齿轮高端制造强化提供了一种全新的方法，可有效避免上述工艺的缺点，有着明显的优势和巨大的潜力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，未对磁处理后材料的残余应力降低进行机理性分析和定量研究。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，包括：
为多组试样引入残余应力，并测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；
对引入残余应力之后的试样进行磁处理，并测试经过磁处理之后的试样的残余应力值；
得到多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围；
比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响。
优选的，所述比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响，包括：
若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力均匀化。
优选的，所述若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样残余应力均匀化，包括：
若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则进一步计算多组试样的残余应力的峰谷值，且计算磁处理后峰谷值与磁处理前峰谷值的百分比值，并判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力得到上述百分比值程度的均匀化。
优选的，所述为多组试样引入残余应力，包括：
为多组试样引入残余压应力或残余拉应力。
优选的，所述为多组试样引入残余应力，包括：通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力；
所述通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力，包括：
通过控制材料的伸长率来设置5个残余拉应力集，即材料的伸长率为4％、6％、8％、10％和12％时停止拉伸试验；在进行拉伸试验之前对试样进行残余应力测试，然后根据测试的残余拉应力值对试样从小到大进行编号；
其中，试样分为5组，总共30个试样，标号从1到30，6个为一组，第一组试样(标号1到6)拉伸率为4％，第二组试样(标号7到12)拉伸率为6％，第三组试样(标号13到18)拉伸率为8％，第四组试样(标号19到24)拉伸率为10％，第五组试样(标号25到30)拉伸率为12％时停止试验。
优选的，所述为多组试样引入残余应力，包括：通过喷丸试验为试样引入残余压应力；
所述通过喷丸试验为试样引入残余压应力，包括：
通过控制喷丸工艺参数即喷丸强度、喷丸处理的时间来引入5个不同的应力集；在进行喷丸处理之前对这30个试样进行残余应力测试，然后根据残余压应力的值从大到小进行编号；
将试样分为5组，总共30个试样，每组6个试样。标号从1到30，喷丸表面覆盖率均为100％，喷丸的材料为强度高使用寿命长的钢丝切丸。且第一组试样(标号为1到6)的喷丸强度为0.170A，处理时间为2min，第二组试样(标号为7到12)的喷丸强度为0.186A，处理时间为2.5min，第三组试样(标号为13到18)的喷丸强度为0.209A，处理时间为3min，第四组试样(标号为19到24)的喷丸强度为0.228A，处理时间为3.5min，第五组试样(标号为25到30)的喷丸强度为0.248A，处理时间为4min。
优选的，对引入残余应力之后的试样进行磁处理，包括：
将每组试样再分组，即分为每组3个试样，然后3个一组放入脉冲磁场试验机进行磁处理，总共处理10组；其中，10组试样磁处理参数一致，即其场强均为6T，脉冲磁场放电10次。
优选的，所述测试引入残余应力之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；
和/或，所述测试经过磁处理之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试经过磁处理之后的试样的残余应力值。
优选的，还包括：
从微观角度分析残余应力值的变化。
优选的，所述从微观角度分析残余应力值的变化，包括：
从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究；利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，对20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行磁处理后的残余应力性能的研究。采用喷丸处理和拉伸试验引入5个不同的应力集，分别利用X射线衍射仪测试其经过磁处理之后的残余拉应力和残余压应力的变化，并进行微观组织表征。结果表明，经过磁处理之后的试样残余拉应力和残余压应力均有一定的降低，且残余拉应力的最大值和最小值之间差值降为50MPa，残余压应力的最大值和最小值之间的差值降为35Mpa，残余应力的分布更加均匀。而微观组织表征结果显示，经过磁处理之后的试样晶粒组织发生明显变化，晶粒尺寸变小，大角度晶界率增大，位错组织形貌复杂，位错缠结，位错密度增大，且在(220)晶面位错密度变化显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的拉伸后和磁处理后试样残余应力变化值；
图2为本发明实施例提供的喷丸后和磁处理后试样残余应力变化值；
图3a为本发明实施例提供的磁处理前试样1000×金相组织；
图3b为本发明实施例提供的磁处理前试样500×金相组织；
图4a为本发明实施例提供的磁处理后试样1000×金相组织；
图4b为本发明实施例提供的磁处理后试样1000×金相组织；
图5a为本发明实施例提供的磁处理前晶粒；
图5b为本发明实施例提供的磁处理后晶粒；
图6a为本发明实施例提供的磁处理前晶粒取向；
图6b为本发明实施例提供的磁处理后晶粒取向；
图7a和7b为本发明实施例提供的磁处理之前的位错结构；
图7c和7d为本发明实施例提供的磁处理之后的位错结构；
图8为本发明实施例提供的磁处理前后XRD光谱；
图9为本发明实施例提供的处理前后位错密度变化。
具体实施方式
20Cr2Ni4A是重载齿轮的常用材料，而齿轮齿根部位的强化是重载齿轮提高承载能力的关键部分。以往的齿轮强化方法存在多种缺陷，而脉冲磁处理技术作为一种新兴技术，在合金、焊接材料、低合金钢等材料的改性方面的研究已经有很多，但是20Cr2Ni4A作为重载齿轮的基体材料，目前关于该材料的磁处理相关研究较少。由于重载齿轮经过强化之后，虽然会提高材料的残余压应力，进而提高材料的疲劳性能，但是由于强化之后的齿轮齿根部位会存在应力集中等问题，降低齿轮的使用寿命。因此本文对没有磁处理的试样和磁处理之后的试样，即0T和6T的试样进行残余应力的变化值对比，并进行微观组织的表征，初步探索脉冲磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响。
本文首先探究0T和6T的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力的影响，即包括残余压应力和残余拉应力，通过对试样进行喷丸试验和拉伸试验分别引入残余压应力和残余拉应力，采用X射线衍射仪对试样进行残余应力测试。然后，从微观角度分析残余应力值的变化，利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。最后，初步探索出脉冲磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响机理。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，包括：
为多组试样引入残余应力，并测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；
对引入残余应力之后的试样进行磁处理，并测试经过磁处理之后的试样的残余应力值；
得到多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围；
比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，得到和比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，即从对残余应力的分布变化的研究，为脉冲磁场处理对金属零件影响提供了全新的角度，在磁处理后材料的残余应力降低的基础上，为进一步的定性分析奠定了基础，为脉冲磁场对金属零件的强化机制提供了有力的理论支撑。
具体的，前述比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响，包括：
若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力均匀化。由图1可以看出，试样经过磁处理之后残余拉应力值明显下降，且残余拉应力值的范围由103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，也就是说磁场对于材料的不只是残余应力值的下降，对于残余应力的变化范围也有明显的缩小，即残余拉应力值较磁场处理之前分布更均匀。
进一步的，所述若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样残余应力均匀化，包括：
若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则进一步计算多组试样的残余应力的峰谷值，且计算磁处理后峰谷值与磁处理前峰谷值的百分比值，并判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力得到上述百分比值程度的均匀化。如图1所示，残余拉应力值的范围缩小由相差103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，均匀化50％。即本方案还进一步对脉冲磁场处理对试样残余应力的均匀化进行定量分析，对残余应力调控技术起到指导作用。
1脉冲磁场处理对20Cr2Ni4A残余应力性能的研究
20Cr2Ni4A齿轮钢强化之后，虽然齿根表面应力大幅度提高，但是仍然存在应力分布不均匀、局部残余应力过高的情况，对齿轮的疲劳性能具有很大的影响。
因此本文想要通过磁处理技术初步探索其对20Cr2Ni4A齿轮钢残余应力的影响，表面压应力和表面拉应力局部集中都会造成齿轮的疲劳性能受损，因此，本文设计了两个引入残余应力的试验，在经过两个试验之后，采用X射线衍射仪测试其残余应力值的变化，然后进行6T的脉冲磁处理，再采用X射线衍射仪测试脉冲磁处理之后的残余应力的变化值。
因此，在本实施例中，所述为多组试样引入残余应力，包括：
为多组试样引入残余压应力或残余拉应力。
1.1试验材料及尺寸
磁处理采用的材料是喷丸试验和拉伸试验的材料，均为从原始棒料中经过线切割加工后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样。
为了研究磁处理对试样残余拉应力的影响，引入拉伸试验，使试样产生一定的残余拉应力，根据GBT228-202拉伸试验国家标准等，设计了拉伸板材试样；为了研究磁处理对试样残余压应力的影响，引入喷丸试验，使试样产生一定的残余压应力，其中用于喷丸试验的试样尺寸设计为直径50mm、高6mm的圆柱体试样。
1.2拉伸试验引入表面残余拉应力
具体的，所述为多组试样引入残余应力，包括：通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力；
所述通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力，包括：
为了使材料内部产生一定的残余拉应力且控制材料不得到破坏，设置了5个应力集；由于20Cr2Ni4A材料的伸长率为13％，因此通过控制材料的伸长率来设置5个残余拉应力集，即材料的伸长率为4％、6％、8％、10％和12％时停止拉伸试验；在进行拉伸试验之前对试样进行残余应力测试，然后根据测试的残余拉应力值对试样从小到大进行编号；
其中，试样分为5组，总共30个试样，标号从1到30，6个为一组，第一组试样(标号1到6)拉伸率为4％，第二组试样(标号7到12)拉伸率为6％，第三组试样(标号13到18)拉伸率为8％，第四组试样(标号19到24)拉伸率为10％，第五组试样(标号25到30)拉伸率为12％时停止试验。当然，拉伸试验的方式并不仅仅局限于此，还可以调整参数，在此不再赘述。
1.3喷丸试验引入表面残余压应力
所述为多组试样引入残余应力，包括：通过喷丸试验为试样引入残余压应力；
所述通过喷丸试验为试样引入残余压应力，包括：
为了使材料内部产生一定的残余压应力，设置了5个应力集；其中，通过控制喷丸工艺参数即喷丸强度、喷丸处理的时间来引入5个不同的应力集；在进行喷丸处理之前对这30个试样进行残余应力测试，然后根据残余压应力的值从大到小进行编号；
将试样分为5组，总共30个试样，每组6个试样。标号从1到30，喷丸表面覆盖率均为100％，喷丸的材料为强度高使用寿命长的钢丝切丸。且第一组试样(标号为1到6)的喷丸强度为0.170A，处理时间为2min，第二组试样(标号为7到12)的喷丸强度为0.186A，处理时间为2.5min，第三组试样(标号为13到18)的喷丸强度为0.209A，处理时间为3min，第四组试样(标号为19到24)的喷丸强度为0.228A，处理时间为3.5min，第五组试样(标号为25到30)的喷丸强度为0.248A，处理时间为4min。
1.4对拉伸和喷丸之后的试样磁处理
磁处理是本文的主要支撑试验，即研究经过磁处理的20Cr2Ni4A试样的残余应力和微观组织的变化。
对引入残余应力之后的试样进行磁处理，包括：
在对试样经过拉伸处理和喷丸处理之后，将每组试样再分组，即分为每组3个试样，然后3个一组放入脉冲磁场试验机进行磁处理，总共处理10组；其中，10组试样磁处理参数一致，即其场强均为6T，脉冲磁场放电10次。
1.5磁处理前后试样残余应力表征
所述测试引入残余应力之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；
和/或，所述测试经过磁处理之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试经过磁处理之后的试样的残余应力值。
经过拉伸之后的试样经过X射线衍射仪测得残余应力值如表1所示，表中数据显示，经过拉伸之后的试样符合拉伸试验的规律，残余拉应力值增大。经过喷丸处理过的试样残余应力值如表2所示，表中数据显示，经过喷丸处理后的试样符合喷丸处理的规律，残余压应力值明显增大。
表1拉伸前后试样残余应力值
表2喷丸前后试样残余应力值
由表1可知，随着伸长率的增大，试样的残余拉应力也在增大，且通过设置不同的伸长率来控制试样内部产生的残余拉应力，使得试样最终产生的残余拉应力不会有太大的偏差。由于实验数据具有一定的离散性，因此会有一定的误差存在，但在误差允许范围内试样最大的残余拉应力变化值是在伸长率为12％时，残余拉应力变化值为367.7MPa。经过测试，最终30个试样的残余拉应力值最小为100.3MPa，最大为178.6MPa。
由表2可知，随着喷丸强度的增大和喷丸处理时间的延长，试样的残余压应力不断增大，且通过设置不同的喷丸处理参数来控制试样内部产生的残余压应力，使得最终30个试样的残余压应力数值不会有太大的偏差。且残余压应力最大变化值在喷丸强度为0.248A，处理时间为4min时，其变化值为613.4MPa。经过测试，最终30个试样的残余压应力最小值为610.6，最大值为686.9MPa。
脉冲磁场处理能够降低工件的焊接残余应力，焊接件的残余应力以残余拉应力居多，而脉冲磁场处理能够降低模具钢的残余应力，也是以残余拉应力为主，即以往的研究者均对试样的残余拉应力展开一定的研究，研究磁场处理对试样残余拉应力的影响。
而工件在经过一定的强化工艺后，能够使试样内部迅速获得一定量的残余压应力，材料的受强化部位残余压应力明显提高，在提升疲劳性能的同时，又存在应力集中的问题，因此本文在对试样进行磁处理时，还需对试样进行磁处理前后的残余压应力测试。即在经过拉伸和喷丸处理之后，对试样进行脉冲磁场处理，控制磁处理参数，使得试样经过一致的磁处理条件，最终利用X射线衍射仪对试样进行残余应力测试，结果如图1所示和图2所示。
由图1可以看出，试样经过磁处理之后残余拉应力值明显下降，且残余拉应力值的范围由103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，也就是说磁场对于材料的不只是残余应力值的下降，对于残余应力的变化范围也有明显的缩小，即残余拉应力值较磁场处理之前分布更均匀。而对残余压应力也有类似的现象，由图2可以看出，经过喷丸的试样在磁场的作用下，残余压应力值具有明显的下降趋势，残余压应力值的范围由原来的610MPa～690MPa左右变成590MPa～625MPa左右，最大残余压应力值和最小残余压应力值差距明显缩小。
众所周知，残余压应力可以一定程度的抑制材料的疲劳，但是不恰当的残余压应力，比如应力集中现象依然可以促使疲劳现象产生，因此，适当的残余压应力的提高是有益于材料的疲劳性能，而残余拉应力不管任何时候都是可以降低材料的疲劳性能。
因此，由图1和图2可知，磁处理对于残余拉应力和残余压应力的降低均有一定的作用。即磁处理能够降低试样的残余拉应力，提高试样的疲劳性能，且对于残余压应力值提高较为突出的材料，依然可以通过磁处理使材料在一定程度上降低残余压应力，实现材料内部的应力均匀化，从而不会加剧材料的疲劳，提高材料的疲劳寿命。
2脉冲磁场处理对20Cr2Ni4A残余应力影响的机理研究
本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，还包括：
从微观角度分析残余应力值的变化。
所述从微观角度分析残余应力值的变化，包括：
从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究；利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。最后，初步探索出脉冲磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响机理。
2.1OM显微组织变化
微观组织决定了材料的力学性能，即研究残余应力的变化需要从微观角度分析0T和6T的20Cr2Ni4A试样的变化。而金相组织是认识材料的开始，为了研究磁处理对材料残余应力影响的机理，首先从观察显微组织开始。
通过20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相分析可以观察到其微观组织变化。对未经过磁处理的试样进行4％硝酸酒精溶液腐蚀之后，在光学显微镜下观察试样的显微组织变化，结果如图3a和图3b所示。图中显示，在0T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的主要组织为板条马氏体+残余奥氏体组织。
而同样用4％的硝酸酒精溶液对6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行腐蚀，在光学显微镜下观察其微观组织变化，结果如图4a和图4b所示。
图中显示，在6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相组织为板条状马氏体+残余奥氏体组织。其中，板条马氏体又叫低碳马氏体，如图3a和图3b所示主要呈互相平行的板条状，形状较为细长，而残余奥氏体则不像板条马氏体一样有固定的形态，通常表现为无固定的形态。图3a、3b、4a和4b表明，经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相组织和没有经过磁处理的基本没有发生变化。也就是说，在光学显微镜下观察的显微组织不足以研究磁处理对试样残余应力的影响机理，因此，本文采用电子背散射衍射仪来定量的分析磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的微观组织的晶粒大小和晶粒取向的变化。
2.2EBSD晶粒组织变化
EBSD又叫电子背散射衍射仪，其是在扫描电子显微镜下的一种衍射仪，在材料的微观组织结构分析中得到了广泛的应用。在电子背散射衍射仪出现之前，测量材料的晶粒尺寸主要靠晶界的观察，而电子背散射衍射仪的出现可以测量试样中每一个点的取向，从而得到试样的晶粒取向差，因此，电子背散射衍射仪成为晶粒尺寸和取向差测量的常用技术。
而在上一小节中应用了光学显微镜观察了试样的显微组织，并不能定量的得出试样的晶粒大小变化。因此，本节采用电子背散射衍射仪对0T场强下的试样和6T场强下的试样进行晶粒大小和取向的定量分析。
众所周知，晶粒的大小在材料性能的影响中是显著的，因此为了研究20Cr2Ni4A齿轮钢试样磁处理前后残余应力变化的机理，需从晶粒着手。而晶粒越细，那么材料的各种性能也就会越优良，这也就是我们常说的提高材料性能的一个常用手段即晶粒细化。
所以，为了验证齿轮钢试样经过磁处理之后残余应力降低的原因是否为晶粒细化，我们采用EBSD对试样进行分析，结果如图5a和图5b所示。图5a所示为0T场强下20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EBSD分析图，图5b所示为6T场强下20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EBSD分析图。图5a中可以看出长条状马氏体(一种晶体结构，颜色代表马氏体排列方向的不同)，经过磁处理之后图5b可以看到条状变为点状，晶粒尺寸减小，颜色变得更分散，说明晶粒分布更均匀。其中从图中可以明显的看出，经过磁处理之后的试样晶粒尺寸明显减小。在磁处理之前试样的晶粒尺寸为2.098μm，而在磁处理之后试样的晶粒尺寸减小至1.268μm。也就是说在经过磁处理之后，残余应力下降的原因和晶粒尺寸减小有关。在试样经过磁场的磁化作用后，材料内部发生一定的塑性变形，使得材料内部存在的板条马氏体晶粒发生明显的细化现象，然后晶粒发生破碎，在一定单位体积的晶体中晶界的面积便增大，从而使得晶间更便于转动，最终使得材料的疲劳裂纹扩展速率降低。
根据晶粒尺寸与屈服点的关系有Hall-petch(3.1)公式等得，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度就越高，也就是说材料抵抗滑移的能力就越大，即疲劳裂纹在晶粒之间的萌生速率减慢，阻力增大，进而提高了材料的弯曲疲劳性能。也就是常说的细晶强化，20Cr2Ni4A在经过脉冲磁场处理之后，晶粒变小，产生细晶强化，从而使材料的屈服强度变高。而细晶强化则可以简单地理解为晶粒变小之后，晶界增加，从而使得材料阻止位错的运动增强，即位错运动的阻力增大，从而使得材料的强度提高。
式中，d为晶粒直径，σ0为位错运动时产生的摩擦力，σs为材料的屈服强，K为一个和材料自身相关的常数。
晶粒大小是影响20Cr2Ni4A齿轮钢试样力学性能的一个原因，而晶粒间的取向差同样也会对材料疲劳裂纹的扩展有一定的影响。因为塑性变形是由具有最大临界切应力的密排平面上的滑移运动引起的，所以不同晶粒间的取向也会对材料的塑性变形产生影响。晶粒间取向差的增大，使得晶界能增大，材料的裂纹扩展阻力更大，而且，取向差大小决定了晶界能的高低，大小角度晶界都会对材料的疲劳性能产生影响，但是大角度晶界越多，阻碍裂纹扩展就更有效，因为大角度晶界在改变裂纹扩展途径中频率会变大等。
磁处理前后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的晶粒取向分布如图6a和图6b所示，从图中可以看出，磁处理之后的试样大角度晶界比率高于磁处理之前。
综上所述，不管是从晶粒大小还是晶粒取向差来研究磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力影响，都能够解释经过磁处理之后的试样残余应力更低，力学性能更优良。
除了材料的晶粒大小和晶粒取向差之外，位错密度也是影响材料力学性能的主要因素，因此，为了探究磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢残余应力影响的原因，下一步利用TEM观察试样的位错结构。
2.3TEM位错组织变化
磁处理之后的材料之所以会晶粒细化，是因为材料内部的位错滑移、增殖和缠结。位错是一种典型的线缺陷，它实际上是一种介于晶体的滑移区和非滑移区的分界线，且其对材料的力学性能具有很大的影响。
因此，本文采用透射电子对磁处理前后的试样观察位错组织变化。而且，由于TEM测试需要电子束可穿过样品，因此其制样的过程较为复杂，样品要求较薄，因此在测试之前的试验方案中，0T试样和6T试样数量较之前测试多，最终从中找出最合适的样品在透射电镜下观察。
TEM结果如图7a、图7b、图7c和图7d所示，从图中可以很明显的看出，在磁处理之前20Cr2Ni4A齿轮钢试样在透射电镜下显示的表层主要存在板条状马氏体组织，且位错密度整体较低，位错形貌较为单一，并且没有明显的位错缠结和位错塞积现象。但是经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样发生明显的位错缠结现象，试样的位错密度增大，大量位错存在于材料内部，且位错滑移和位错缠结现象较为明显。
对于位错增殖的解释可以用弗兰克-里德位错源机制，即材料受到磁场作用时，受磁场作用的位错力能够克服由位错线张力引起的力，也就是说，外加磁场可以驱动材料内部的位错源，从而使得位错倍增。
脉冲磁场对于20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响因素之一即位错结构，其影响机制可以解释为在脉冲磁场的作用下，给了晶体内晶格新的畸变动力，因此，在材料受到不断地磁场冲击下，打破了晶格原本的平衡态，材料内部发生了一定程度的晶格畸变，从而一种新的晶格缺陷——位错，便在材料内部产生，且随着位错的不断发展，逐渐发生增殖和滑移，位错缠结现象明显，材料内部的位错胞的密度增大，在这种情况下使得材料的残余应力降低，力学性能提高，从而使得材料得到强化。即脉冲磁场强化20Cr2Ni4A齿轮钢试样的强化机制有位错强化的理论支撑。
2.4XRD位错密度变化
位错组织在透射电镜下能够观察到在经过磁处理之后，试样发生了明显的位错缠结现象，但是并不能通过数据直观地观察磁处理前后的位错密度变化，因此本节通过X射线衍射仪对磁处理前后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行测试，得到磁处理前后的XRD光谱，并通过公式计算得出试样的位错密度，更直观地表征磁处理之后的试样的位错密度变化。
经过磁处理前后的XRD光谱图如图8所示。从图中可以看出，经过磁处理之后的试样衍射峰的位置变化并不明显，也就是说，在经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样没有新的相生成，但是与位错密度有关的衍射峰的半高宽即FWHM发生了变化。
因此，为了研究经过磁处理之后的齿轮钢试样位错密度的变化，对3个晶面(110)，(220)和(200)对应的3个衍射峰的半高宽进行公式计算。由Dunn公式，如式(3.2)所示，对磁处理前后的位错密度进行计算分析。
公式中β表示的是衍射峰的半高宽，b表示的是Burgers矢量，D表示的是位错密度。
其中，FWHM的数值可以用积分法求得，即在求某个晶面对应的衍射峰的半高宽时，对该衍射峰的峰底做切线，用切线和半高宽形成的三角形的面积除以三角形的高度即得半高宽的值。
Burgers矢量与试样的材料本身属性有关，磁处理前后的试样的材料必然相同，因此其Burgers矢量可以当做常数，即材料的位错密度和FWHM的平方成正比。所以，材料位错密度的计算分析可以用XRD光谱图中衍射峰的半高宽来实现。
经过计算，将磁处理前后的3个晶面对应的衍射峰的半高宽的变化整理成图9所示。从图中可以很明显地看出，经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的位错密度增多，且在(220)晶面对应的衍射峰的FWHM变化最大，即其位错密度变化最显著。
综上所述，本文针对磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力影响，初步探讨了磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响机理。其中，对残余应力的性能研究包括拉伸试验引入的表面残余拉应力和喷丸处引入的表面残余压应力，而对机理的分析主要从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究，得到如下结论：
(1)试样经过拉伸试验和喷丸处理分别引入了一定量的表面残余拉应力和表面残余压应力，并分别设置了5个应力集。在X射线衍射仪的测试下，得到拉伸之后的试样最大残余拉应力变化值为367.7MPa，喷丸之后的试样最大残余压应力变化值为613.4MPa。在经过拉伸试验和喷丸处理的试样分组进行脉冲磁场处理，场强6T，脉冲放电次数为10次。磁处理之后的试样进行X射线衍射仪测试残余应力，发现残余拉应力的最大值和最小值之间差值降为50MPa，残余压应力的最大值和最小值之间的差值降为35MPa。即经过磁处理之后，残余拉应力和残余压应力都有降低，且分布更为均匀。
(2)利用光学显微镜对20Cr2Ni4A试样进行显微组织观察，发现主要组织为板条马氏体和残余奥氏体，且经过磁处理之后显微组织并没有明显的变化，即磁处理后材料没有新相生成。
(3)利用电子背散射衍射仪对试样进行晶粒组织观察，发现经过磁处理之后的试样材料内部的晶粒细化，且磁处理之后的晶粒大角度晶界占比高于磁处理之前，晶粒细化和大角度晶界占比高都是材料力学性能提高的原因，也是试样残余应力降低的因素。
(4)利用透射电子显微镜对试样进行位错组织观察，发现经过磁处理之后的材料内部的位错缠结现象明显，材料内部发生了一定程度的晶格畸变，位错胞的密度增大，从位错强化机制解释位错缠结、滑移及增殖对材料残余应力降低的影响。
(5)利用X射线衍射仪得到试样的光谱图，从图中可以看出，经过磁处理之后的试样并没有新的相生成，但是，所有晶面对应的衍射峰的峰宽具有一定的变化。经过公式计算分析，材料的位错密度和FWHM成正比例关系，然后通过柱状图来直观地对比材料在磁处理前后的位错密度变化，经过磁处理之后，材料的位错密度变化明显，呈明显增大的趋势，且在(220)晶面的位错密度变化最为明显。
本方案应用于金属零件残余应力均匀化技术，具有下列优势：
一.新型残余应力调控技术，无需接触零件或者材料表面，减少表面损伤萌生；
二.精准均匀化残余应力，将残余应力峰谷值控制在36MPa以内。
三.材料组织内部晶粒均匀、取向一致，但是造成位错增殖，进而实现残余应力均匀化。
四.不仅可以实现材料的残余应力调控，也可以调控以齿轮为代表的复杂异形零件。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，其特征在于，包括：
从原始棒料中经过线切割加工后得到20Cr2Ni4A齿轮钢试样；
通过拉伸试验为多组试样引入残余拉应力，通过喷丸试验为试样引入残余压应力，并测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；所述通过拉伸试验为多组试样引入残余拉应力，包括：通过控制材料的伸长率来设置5个残余拉应力集，即材料的伸长率为4%、6%、8%、10%和12%时停止拉伸试验；在进行拉伸试验之前对试样进行残余应力测试，然后根据测试的残余拉应力值对试样从小到大进行编号；其中，试样分为5组，总共30个试样，标号从1到30，6个为一组，第一组试样标号1到6拉伸率为4%，第二组试样标号7到12拉伸率为6%，第三组试样标号13到18拉伸率为8%，第四组试样标号19到24拉伸率为10%，第五组试样标号25到30拉伸率为12%时停止试验；通过喷丸试验为试样引入残余压应力，包括：通过控制喷丸工艺参数即喷丸强度、喷丸处理的时间来引入5个不同的应力集；在进行喷丸处理之前对这30个试样进行残余应力测试，然后根据残余压应力的值从大到小进行编号；将试样分为5组，总共30个试样，每组6个试样；标号从1到30，喷丸表面覆盖率均为100%，喷丸的材料为钢丝切丸，且第一组试样标号为1到6的喷丸强度为0.170A，处理时间为2min，第二组试样标号为7到12的喷丸强度为0.186A，处理时间为2.5min，第三组试样标号为13到18的喷丸强度为0.209A，处理时间为3min，第四组试样标号为19到24的喷丸强度为0.228A，处理时间为3.5min，第五组试样标号为25到30的喷丸强度为0.248A，处理时间为4min；
对引入残余应力之后的试样进行磁处理，并测试经过磁处理之后的试样的残余应力值；
得到多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围；
比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响，包括：若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则进一步计算多组试样的残余应力的峰谷值，且计算磁处理后峰谷值与磁处理前峰谷值的百分比值，并判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力得到上述百分比值程度的均匀化；
从微观角度分析残余应力值的变化，包括：从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究；利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，对引入残余应力之后的试样进行磁处理，包括：
将每组试样再分组，即分为每组3个试样，然后3个一组放入脉冲磁场试验机进行磁处理，总共处理10组；其中，10组试样磁处理参数一致，即其场强均为6T，脉冲磁场放电10次。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述测试引入残余应力之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；
和/或，所述测试经过磁处理之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试经过磁处理之后的试样的残余应力值。
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