摘 要:常规的热处理质量评定方法需对材料进行破坏性加工,效率低下,且不适用于产品批量 检验.针对这一缺点,提出基于矫顽力(Hc)的磁滞无损评估方法,研究了不同热处理条件下,碳钢 显微组织及力学性能与矫顽力的关系.结果表明:碳钢３种典型显微组织对应不同的矫顽力水平, 其顺序为 Hc马氏体 ＞Hc珠光体 ＞Hc铁素体 ;常用力学性能指标与矫顽力近似成线性关系;通过测定矫顽 力既可以快速辨别碳钢的显微组织,又能对力学性能实现定量预测,因此可用于其热处理质量的预 评定.
关键词:矫顽力;热处理;显微组织;力学性能;预评定
中图分类号:TG１１５ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ０００１Ｇ０５
常规的热处理质量评定方法有金相检验和力学 性能试验,需要对材料进行切割、抛光等破坏性加 工,效率低下,且抽样检验的方法不适用于质量要求 严格、需逐个检验的工件[１].为了更好地节约钢铁 材料热处理质量检验的时间和成本,引入无损检测 技术的需求越来越大.
磁性法无损检测可直接得到磁性能参数(矫顽 力 Hc、剩磁 Br、磁滞损耗和饱和磁化强度 Ms 等, 其中矫顽力是描述材料磁滞特性的典型参数,源于 磁畴壁运动的不可逆性)与材料性能的关系,已广泛 应用于钢和铸铁工件的检验中[２Ｇ３].JILES [４]研究 了显微组织和含碳量对碳钢磁性能的影响,当碳的 质量分数超过０．２％时,晶粒尺寸对磁性能的影响 不大.BATISTA 等[５]基于矫顽力、巴克豪森噪声 对钢和铸铁中的渗碳体含量进行了无损评价,结果 表明随着渗碳体体积分数增加,矫顽力大小与碳含 量有一定关系.BYEON 等[６]认为矫顽力和剩磁可 用于成分辨识、珠光体层间距和共析钢强度的定量 评价.此外,以矫顽力为测量参数的磁滞无损评价技术可用于分析不同淬火、回火温度下双相钢的马 氏体体积分数 和 力 学 性 能[７Ｇ８].TANNER 等[９]观 察到矫顽力与晶粒尺寸的倒数成线性关系,其与铁 素体和珠光体的关系如下
式中:φp和φf分别为珠光体和铁素体的体积分数; dp 和df 分别为珠光体和铁素体的晶粒尺寸;c１ 和 c２为常数.
一般来说,当材料中某一组分大量存在时(如铁 素体基体中的珠光体),即有可能主导整体的磁性行 为.YOSHINO 等[１０]指出铸铁中珠光体的体积分 数小于１７％时,不会对矫顽力产生显著影响;当珠 光体的体积分数大于６０％时,矫顽力与珠光体成比 例增加,而与晶粒尺寸无关.虽然通过监测钢铁材 料的磁性参数可以对钢铁材料的晶粒尺寸、相含量、 热处理条件和力学性能等进行评价,但多种冶金因 素都有可能影响材料的磁性能和力学性能,因此需 要进行深入研究,以便在实际情况下更好地应用这 些技术.研究各种磁性能参数与力学性能之间的定 量关系,既有助于热处理质量的精确控制,也有助于 磁性无损检测技术在钢铁性能评估中的应用.
笔者系统地阐述了基于矫顽力的无损评估方法, 并结合两种常见碳钢的热处理试验和力学性能试验, 对材料的显微组织、力学性能与矫顽力参数进行了关 联,以期获得较为准确的磁性参数与力学性能的经验 关系,为材料热处理质量的预评定提供参考.
１ 基于矫顽力的无损评估技术
铁磁性材料可通过外部施加的时变电磁场进行 磁化,从而发生畴壁位移和磁畴转动,该过程可利用 磁滞回线表示.磁滞特性取决于材料内部的微观结 构,磁畴壁在运动过程中必须克服各种微结构障碍, 这是出现磁滞行为的本质原因.基于磁滞行为与微 观结构、残余应力、局部缺陷间的相互关系可开发出 磁滞无损评估技术,用于评估材料微观结构和缺陷 密度变化导致的相应力学性能的变化,从而表征材 料的固有特性.由图１可知,磁感应强度B 和磁场 强度H 具有非单值性,同时BＧH 曲线还具有非线 性及饱和性.
根据经典的直流磁化和循环理论,铁磁性材料的 矫顽力是由阻止磁畴边界不可逆位移的平均力决定 的,微结构障碍可能是夹杂物、位错、残余应力、晶界 以及其他晶格不均匀性和缺陷.当晶体内部夹杂物的钉扎效应起主要作用时,矫顽力可由下式表示[１１]
式中:Hc１为小尺寸夹杂物引起的矫顽力;Hc２为大尺 寸夹杂物引起的矫顽力;din为夹杂物的平均直径;Lz 为磁畴体的当量长度;ρin为体积密度;δ１８０为夹杂物的 厚度;Sδ 为夹杂物的面积;γ１８０为１８０°磁畴壁单位面 积的表面能;Ms 为饱和磁化强度;μ０为常数.
当晶体内部位错引起的应力起主要作用时,矫 顽力可表示为[１２]
式中:r 为位错密度;G 为弹性模量;μ 为泊松比;b 为 Burgers参量;λs 为饱和磁致伸缩量.
由以上公式可知,矫顽力对微观结构和化学成 分非常敏感,在很多情况下,其与力学性能也有很好 的相关性,而且不受尺寸和提离效应的影响[１３Ｇ１４]. 钢铁材料经过热处理后,组织结构发生变化,矫顽力 也随之变化,因此可通过测定热处理前后钢铁件的 矫顽力来表征其微观结构和性能变化.
２ 显微组织与矫顽力的关系
２．１ 试验方法
试验材料为某高碳钢,其主要化学成分(质量分 数)为０．８５５％ C,０．２１％ Si,０．５１％ Mn,０．０１％ P, ０．００６％ S.通过调节奥氏体化温度、等温冷却或连 续冷 却 等 热 处 理 条 件 来 改 变 试 样 显 微 组 织 (见 表１),并将部分试样在７００ ℃下进行１５０h的球化 热处理,以形成稳定的铁素体相,然后使用振动探针 式磁强计测量试样的矫顽力,每个试样测量５次取 平均值.
２．２ 试验结果与讨论
试验用高碳钢在不同热处理条件下的３种典型 显微组织如图２所示.图２a)所示为水淬冷却获得的 板条马氏体,图２b)所示为经过连续冷却获得的层状 珠光体,图２c)所示为经过球化处理后获得的铁素 体＋球状渗碳体.对试样的矫顽力进行测量,得到 １,２号试样的矫顽力分别为２．７０,２．７０kA??m－１;３, ４号试样的矫顽力分别为１．７９,１．６３kA??m－１;５,６号试样的矫顽力分别为１．４５,１．４７kA??m－１.可以看 出马氏体的矫顽力平均值(２．７０kA??m－１)远高于珠 光体的(１．７１kA??m－１)和铁素体的(１．４６kA??m－１). 这是因为板条马氏体的位错密度非常高,位错线相 互聚集和纠缠,引起周围微应力集中,从而固定磁畴 壁,形成较强的钉扎效应[１５Ｇ１６].从这个意义上讲, 马氏体相的高矫顽力源于位错引起的微应力集中, 当然过饱和间隙碳原子也可能阻碍磁畴壁移动,从 而产生更高的矫顽力.对于珠光体相,LO 等[１７]认 为铁素体基体与渗碳体片层产生的残余应力使得磁 畴壁更倾向于固定在渗碳体片层,层间距越小,两相 之间的接触面越大,阻碍磁畴壁移动的概率越高. 球化处理的试样显微组织为铁素体＋球状渗碳体, 其矫顽力主要源于渗碳体颗粒对磁畴壁的阻碍,相 对于上述两种钉扎效应,该条件下产生的矫顽力最 小.因此,不同显微组织的矫顽力大小顺序可初步 确定为:Hc马氏体 ＞Hc珠光体 ＞Hc铁素体 .不同的显微组 织或相决定了不同的矫顽力水平,这将有助于快速 辨别钢铁件热处理后的显微组织.
３ 力学性能与矫顽力的关系
３．１ 试验方法
试验材料为某低碳钢,其主要化学成分[１８](质 量分 数 )为 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.将 试 验 材 料 加 工 成 标 准 试 样 后 分 为 ３组,每组对应一种特定的热处理工艺,见表２.采 用通用硬度计测量热处理后试样的维氏硬度,载荷 为９．８N(１kgf);利用２５０kN 万能拉伸试验机对试 样的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率等力学性能 进 行 测 试;便 携 式 无 损 检 测 仪 在 磁 化 场 强 度 ８０kA??m－１和磁化频率５０MHz条件下进行误差调 节后,对试样的磁滞参量进行测量,然后分析矫顽力 与力学性能之间的定量关系.
３．２ 试验结果与讨论
３组试样的力学性能试验结果见表３.采用水 淬、油淬的冷却方式(第８,９组),试样显微组织以板 条马氏体为主,其强度和硬度均较高,塑性较差.采 用空冷的冷却方式(第７组),试样显微组织以层状 珠光体为主,其强度和硬度较低,塑性明显提高.
矫顽力可以用来表征钢铁材料的磁硬度,故与 力学性能密切相关[１９].在油淬和水淬冷却条件下, 随着马氏体转变及扩散作用,磁畴壁的钉扎效应导 致矫顽力变大,位错阻塞也使得材料强度或硬度相 应提高.空冷时,磁性能与力学性能的变化则源于 珠光体带的破坏和长大过程.珠光体层间距变化或 渗碳体分化也会引起磁性能和力学性能改变[２０].
矫顽力与低碳钢试样力学性能的关系如图３所 示,对试验数据分别进行拟合,可得到矫顽力与力学 性能的经验关系式,具体如下
由式(５)~(８)可知,不同热处理条件下,低碳钢 试样的力学性能与矫顽力近似成线性关系,这说明 通过监测钢铁材料的矫顽力变化即可实现对力学性 能的定量预测.其中矫顽力与抗拉强度和硬度的关 系曲线的拟合度高达 ０．９,可优先作为评 估 指 标. 除此之外,MOHAPATRA 等[１８]的研究证明矫顽力 与扫频激励法对力学性能的评估结果具有很好的一 致性,表明基于矫顽力的无损评估方法可用来预评 估热处理后钢铁件力学性能的变化趋势.
４ 结论
(１)矫顽力对碳钢显微组织非常敏感,马氏体 相由于高密度位错阻碍磁畴壁移动,其矫顽力最大; 珠光体相铁素体基体与渗碳体片层引起局部微应力集中,矫顽力次之;铁素体相中分散的渗碳体颗粒影 响磁畴壁运动,矫顽力最小.
(２)不同热处理条件下,碳钢的常用力学性能 指标与矫顽力近似成线性关系,其中抗拉强度和硬 度与矫顽力有很好的关联性.
(３)基于矫顽力的无损评估技术,既能快速辨 别碳钢的显微组织,又能对力学性能实现定量预测, 可用于碳钢的热处理质量预评定.
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