摘 要:常規的熱處理質量評定方法需對材料進行破壞性加工,效率低下,且不適用于產品批量 檢驗.針對這一缺點,提出基于矯頑力(Hc)的磁滯無損評估方法,研究了不同熱處理條件下,碳鋼 顯微組織及力學性能與矯頑力的關系.結果表明:碳鋼３種典型顯微組織對應不同的矯頑力水平, 其順序為 Hc馬氏體 ＞Hc珠光體 ＞Hc鐵素體 ;常用力學性能指標與矯頑力近似成線性關系;通過測定矯頑 力既可以快速辨別碳鋼的顯微組織,又能對力學性能實現定量預測,因此可用于其熱處理質量的預 評定.
關鍵詞:矯頑力;熱處理;顯微組織;力學性能;預評定
中圖分類號:TG１１５ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ０００１Ｇ０５
常規的熱處理質量評定方法有金相檢驗和力學 性能試驗,需要對材料進行切割、拋光等破壞性加 工,效率低下,且抽樣檢驗的方法不適用于質量要求 嚴格、需逐個檢驗的工件[１].為了更好地節約鋼鐵 材料熱處理質量檢驗的時間和成本,引入無損檢測 技術的需求越來越大.
磁性法無損檢測可直接得到磁性能參數(矯頑 力 Hc、剩磁 Br、磁滯損耗和飽和磁化強度 Ms 等, 其中矯頑力是描述材料磁滯特性的典型參數,源于 磁疇壁運動的不可逆性)與材料性能的關系,已廣泛 應用于鋼和鑄鐵工件的檢驗中[２Ｇ３].JILES [４]研究 了顯微組織和含碳量對碳鋼磁性能的影響,當碳的 質量分數超過０．２％時,晶粒尺寸對磁性能的影響 不大.BATISTA 等[５]基于矯頑力、巴克豪森噪聲 對鋼和鑄鐵中的滲碳體含量進行了無損評價,結果 表明隨著滲碳體體積分數增加,矯頑力大小與碳含 量有一定關系.BYEON 等[６]認為矯頑力和剩磁可 用于成分辨識、珠光體層間距和共析鋼強度的定量 評價.此外,以矯頑力為測量參數的磁滯無損評價技術可用于分析不同淬火、回火溫度下雙相鋼的馬 氏體體積分數 和 力 學 性 能[７Ｇ８].TANNER 等[９]觀 察到矯頑力與晶粒尺寸的倒數成線性關系,其與鐵 素體和珠光體的關系如下
式中:φp和φf分別為珠光體和鐵素體的體積分數; dp 和df 分別為珠光體和鐵素體的晶粒尺寸;c１ 和 c２為常數.
一般來說,當材料中某一組分大量存在時(如鐵 素體基體中的珠光體),即有可能主導整體的磁性行 為.YOSHINO 等[１０]指出鑄鐵中珠光體的體積分 數小于１７％時,不會對矯頑力產生顯著影響;當珠 光體的體積分數大于６０％時,矯頑力與珠光體成比 例增加,而與晶粒尺寸無關.雖然通過監測鋼鐵材 料的磁性參數可以對鋼鐵材料的晶粒尺寸、相含量、 熱處理條件和力學性能等進行評價,但多種冶金因 素都有可能影響材料的磁性能和力學性能,因此需 要進行深入研究,以便在實際情況下更好地應用這 些技術.研究各種磁性能參數與力學性能之間的定 量關系,既有助于熱處理質量的精確控制,也有助于 磁性無損檢測技術在鋼鐵性能評估中的應用.
筆者系統地闡述了基于矯頑力的無損評估方法, 并結合兩種常見碳鋼的熱處理試驗和力學性能試驗, 對材料的顯微組織、力學性能與矯頑力參數進行了關 聯,以期獲得較為準確的磁性參數與力學性能的經驗 關系,為材料熱處理質量的預評定提供參考.
１ 基于矯頑力的無損評估技術
鐵磁性材料可通過外部施加的時變電磁場進行 磁化,從而發生疇壁位移和磁疇轉動,該過程可利用 磁滯回線表示.磁滯特性取決于材料內部的微觀結 構,磁疇壁在運動過程中必須克服各種微結構障礙, 這是出現磁滯行為的本質原因.基于磁滯行為與微 觀結構、殘余應力、局部缺陷間的相互關系可開發出 磁滯無損評估技術,用于評估材料微觀結構和缺陷 密度變化導致的相應力學性能的變化,從而表征材 料的固有特性.由圖１可知,磁感應強度B 和磁場 強度H 具有非單值性,同時BＧH 曲線還具有非線 性及飽和性.
根據經典的直流磁化和循環理論,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,微結構障礙可能是夾雜物、位錯、殘余應力、晶界 以及其他晶格不均勻性和缺陷.當晶體內部夾雜物的釘扎效應起主要作用時,矯頑力可由下式表示[１１]
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 為磁疇體的當量長度;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 為飽和磁化強度;μ０為常數.
當晶體內部位錯引起的應力起主要作用時,矯 頑力可表示為[１２]
式中:r 為位錯密度;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,矯頑力對微觀結構和化學成 分非常敏感,在很多情況下,其與力學性能也有很好 的相關性,而且不受尺寸和提離效應的影響[１３Ｇ１４]. 鋼鐵材料經過熱處理后,組織結構發生變化,矯頑力 也隨之變化,因此可通過測定熱處理前后鋼鐵件的 矯頑力來表征其微觀結構和性能變化.
２ 顯微組織與矯頑力的關系
２．１ 試驗方法
試驗材料為某高碳鋼,其主要化學成分(質量分 數)為０．８５５％ C,０．２１％ Si,０．５１％ Mn,０．０１％ P, ０．００６％ S.通過調節奧氏體化溫度、等溫冷卻或連 續冷 卻 等 熱 處 理 條 件 來 改 變 試 樣 顯 微 組 織 (見 表１),并將部分試樣在７００ ℃下進行１５０h的球化 熱處理,以形成穩定的鐵素體相,然后使用振動探針 式磁強計測量試樣的矯頑力,每個試樣測量５次取 平均值.
２．２ 試驗結果與討論
試驗用高碳鋼在不同熱處理條件下的３種典型 顯微組織如圖２所示.圖２a)所示為水淬冷卻獲得的 板條馬氏體,圖２b)所示為經過連續冷卻獲得的層狀 珠光體,圖２c)所示為經過球化處理后獲得的鐵素 體＋球狀滲碳體.對試樣的矯頑力進行測量,得到 １,２號試樣的矯頑力分別為２．７０,２．７０kA??m－１;３, ４號試樣的矯頑力分別為１．７９,１．６３kA??m－１;５,６號試樣的矯頑力分別為１．４５,１．４７kA??m－１.可以看 出馬氏體的矯頑力平均值(２．７０kA??m－１)遠高于珠 光體的(１．７１kA??m－１)和鐵素體的(１．４６kA??m－１). 這是因為板條馬氏體的位錯密度非常高,位錯線相 互聚集和糾纏,引起周圍微應力集中,從而固定磁疇 壁,形成較強的釘扎效應[１５Ｇ１６].從這個意義上講, 馬氏體相的高矯頑力源于位錯引起的微應力集中, 當然過飽和間隙碳原子也可能阻礙磁疇壁移動,從 而產生更高的矯頑力.對于珠光體相,LO 等[１７]認 為鐵素體基體與滲碳體片層產生的殘余應力使得磁 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磁疇壁的阻礙,相 對于上述兩種釘扎效應,該條件下產生的矯頑力最 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.
３ 力學性能與矯頑力的關系
３．１ 試驗方法
試驗材料為某低碳鋼,其主要化學成分[１８](質 量分 數 )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 材 料 加 工 成 標 準 試 樣 后 分 為 ３組,每組對應一種特定的熱處理工藝,見表２.采 用通用硬度計測量熱處理后試樣的維氏硬度,載荷 為９．８N(１kgf);利用２５０kN 萬能拉伸試驗機對試 樣的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率等力學性能 進 行 測 試;便 攜 式 無 損 檢 測 儀 在 磁 化 場 強 度 ８０kA??m－１和磁化頻率５０MHz條件下進行誤差調 節后,對試樣的磁滯參量進行測量,然后分析矯頑力 與力學性能之間的定量關系.
３．２ 試驗結果與討論
３組試樣的力學性能試驗結果見表３.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 力學性能密切相關[１９].在油淬和水淬冷卻條件下, 隨著馬氏體轉變及擴散作用,磁疇壁的釘扎效應導 致矯頑力變大,位錯阻塞也使得材料強度或硬度相 應提高.空冷時,磁性能與力學性能的變化則源于 珠光體帶的破壞和長大過程.珠光體層間距變化或 滲碳體分化也會引起磁性能和力學性能改變[２０].
矯頑力與低碳鋼試樣力學性能的關系如圖３所 示,對試驗數據分別進行擬合,可得到矯頑力與力學 性能的經驗關系式,具體如下
由式(５)~(８)可知,不同熱處理條件下,低碳鋼 試樣的力學性能與矯頑力近似成線性關系,這說明 通過監測鋼鐵材料的矯頑力變化即可實現對力學性 能的定量預測.其中矯頑力與抗拉強度和硬度的關 系曲線的擬合度高達 ０．９,可優先作為評 估 指 標. 除此之外,MOHAPATRA 等[１８]的研究證明矯頑力 與掃頻激勵法對力學性能的評估結果具有很好的一 致性,表明基于矯頑力的無損評估方法可用來預評 估熱處理后鋼鐵件力學性能的變化趨勢.
４ 結論
(１)矯頑力對碳鋼顯微組織非常敏感,馬氏體 相由于高密度位錯阻礙磁疇壁移動,其矯頑力最大; 珠光體相鐵素體基體與滲碳體片層引起局部微應力集中,矯頑力次之;鐵素體相中分散的滲碳體顆粒影 響磁疇壁運動,矯頑力最小.
(２)不同熱處理條件下,碳鋼的常用力學性能 指標與矯頑力近似成線性關系,其中抗拉強度和硬 度與矯頑力有很好的關聯性.
(３)基于矯頑力的無損評估技術,既能快速辨 別碳鋼的顯微組織,又能對力學性能實現定量預測, 可用于碳鋼的熱處理質量預評定.
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