[发明专利]一种脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法

说明书

本发明公开了一种脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法，改变磁处理的参数之一磁场强度，对脉冲磁场放电次数相同、试样尺寸相同的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行微观组织观察，分析不同磁场强度下的材料微观组织的变化。首先，用EBSD测试材料的晶粒组织变化，并分析晶粒组织变化原因。然后，利用EDS对试样进行测试，通过能谱分析图进行材料的元素种类和含量的分析。最后，分析不同场强下的材料晶粒组织和元素种类含量的变化原因。本方案通过分析不同磁场强度下的材料微观组织的变化，为以后较为复杂的20Cr2Ni4A齿轮钢零件进行磁场处理的性能奠定了基础。

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微观组织影响的分析方法。

背景技术

材料内部的晶粒取向与位错密度是评价材料性能的主要因素。目前，材料内部的晶粒取向与位错密度的改变有很多方法，但都存在实验过程中造成晶粒破碎，取向杂乱，位错混乱，造成材料或者零件的外在性能下降，导致疲劳、磨损等服役性能大幅降低。而磁处理作为一种新兴的非接触微观组织调控技术，通过磁场洛伦兹力可以实现对材料内部以晶粒曲线，微观位错为代表的微观组织进行调控。改善材料疲劳性能。

脉冲磁场调节作用于铁磁性材料的脉冲磁场特征参量，能够显著降低材料在加工过程中产生的残余应力，提升材料的疲劳性能。工艺研究表明，脉冲磁处理(2.25T/5Hz)，可以明显提高碳含量较低的材料55SiMnMo使用寿命，而碳含量较高95CrMo材料的寿命提高有限；显著降低低碳钢焊接接头的腐蚀速率。同时，当磁场方向垂直于残余应力的最大主应力方向时，残余应力的降低最为明显，而对焊缝进行同一方向的磁电复合处理之后，应力下降水平更为显著。美国Innovex公司研制了脉冲磁处理装置，实现了刀具残余应力的松弛，处理后刀具的寿命可提高20％～50％。

脉冲磁场材料改性的机理研究还处于探索阶段，这方面的研究集中在微观尺度，以晶粒、位错、磁畴的耦合作用为出发点。磁处理过程中的磁致振动在材料中引发的应力水平较低，难以通过类似于应力松弛来解释磁处理后残余应力降低的现象，因此目前认为晶粒尺度上磁致伸缩的不均匀性使得原始晶界发生移动，位错迁移后重新排布，减少了晶格畸变，释放第二类残余应力，即微观应力，导致宏观上残余应力的下降。

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(ASMHeatTreatSocietyMeeting)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