（材料加工工程专业论文）低频交变磁场作用下铁磁性材料组织性能变化规律的研究.pdf

中文摘要 利用磁场实现铁磁性材料组织性能的快速转变是近三十年发展起来的一种 新型材料处理方法，它具有节能环保、操作方便和无附加变形等优点i 应用前 景十分广阔。然而，由于目前对磁处理的规律和机制还未完全掌握，此项技术 在工业生产中尚未得到广泛应用。因此，优化磁工艺参数、揭示磁处理的规律 和机制是一项十分重要和有意义的科研课题。 本文通过试验和理论分析等手段，对低频交变磁场作用下低合金高强度钢 q s t e 4 2 0 组织性能的变化规律进行了研究。主要成果如下： 在磁路设计和计算的基础上，设计制作了一套低频交变磁场发生装置。利 用该装置，可以实现对励磁电压、磁场方向、频率和处理时间的调节和控制。 选用前人确定的磁工艺参数对薄钢板堆焊焊缝进行了处理，并通过钻孔法 测量了磁处理前后的焊接残余应力，结果发现：( 1 ) 磁处理后应力整体下降，( 2 ) 初始应力较大处的应力下降量也较大。通过正交试验方法得出，各磁工艺参数 对焊接残余应力的影响程度( 由强到弱) 依次为“磁处理时间”、“磁场方向”、 “磁场频率”和“励磁电压”；并且当上述磁工艺参数取值依次为“4 0 s ”、“垂直 于焊缝”、“2 h z 和“2 2 5 v ”时得到最优参数组合。 以最优磁工艺参数对试样进行处理，通过拉伸和硬度试验测量了力学性能 指标在磁处理前后的改变，发现磁处理后材料塑性略有提高、硬度降低，各试 样同一性能指标之间的差异性明显减小。 利用扫描电子显微镜对焊缝横截面形貌进行了观察，发现磁处理后试样微 区存在着较为明显的磁致塑性形变。改变磁场频率，磁致塑性形变量和磁致伸 缩幅值具有不同的变化趋势，由此证明磁致伸缩并非产生磁致塑性形变的主要 原因。利用原子力显微镜对磁畴结构进行了观察，分析了磁化过程中因磁畴壁 移动而导致的磁畴能量变化，进而推得在畴壁的不可逆位移阶段，应力与畴壁 位移近似呈二次曲线关系。在此基础上从磁畴结构与能量的变化角度解释了部 分已有的试验现象。 本文研究结果可为进一步寻求磁处理的作用规律和机制提供参考，并有望 为磁处理技术在生产实际中的应用和推广提供定的科学指导和理论依据。 关键词：铁磁性，低频交变磁场，残余应力，磁致塑性形变，磁致伸缩 a b s t r a c t m a g n e t i ct r e a t m e n ti s an e wm a t e r i a lp r o c e s s i n gm e t h o dw i t hb r o a dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s s i n c et h ew h o l ep r o c e s si s t a k e na ta m b i e n tt e m p e r a t u r e ，m a g n e t i c t r e a t m e n th a si t so w nc o m p e t i t i v ea d v a n t a g e so v e ro t h e rt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s ： e f f e c t i v e ，e a s y o p e r a t e , da n d n oa d d i t i v ed i s t o r t i o n s h o w e v e r , d u et ot h el a c ko fr u l e s a n dm e c h a n i s mo fm a g n e t i ct r e a t m e n t ，a tp r e s e n tt h ea p p l i c a t i o n so ft h i st e c h n o l o g y i ni n d u s t r ya r es t i l lv e r yl i m i t e d t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt oo p t i m i z et r e a t m e n t p a r a m e t e r s ，e x p l o r et h em a t e r i a lp r o p e r t i e s c h a n g et e n d e n c yi n d u c e db ym a g n e t i c t r e a t m e n ta n df u r t h e rs e e kt h em e c h a n i s m o ft h i sh i g ht e c h n i q u e i nt h i sp a p e r t h ec h a n g e si ns t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so f l o wa l l o ys t e e lq s t e 4 2 0 c a u s e db yal o wf r e q u e n c ya l t e m a t i n gm a g n e t i c f i e l dw e r ed e t e c t e dt h r o u g h e x p e r t i m e n t sa n dt h em e c h a n i s mw a sp r e s e n t e df r o mt h ev i e w p o i n to f d o m a i ne n e r g y c h a n g e t h em a i na c h i e v e m e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w s f i r s t l y , as e to fm a g n e t i ct r e a t m e n td e v i c ew a sd e v e l o p e df o r r e s e a r c hp u r p o s e b a s e do nm a g n e t i cc i r c u i td e s i g na n dc a l c u l a t i o n u s i n gt h i sd e v i c e ，t h ee x c i t a t i o n v o i t a g e ，f r e q u e n c y , t r e a t m e n tt i m ea n d d i r e c t i o nc a nb ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d s e c o n d l y , a f t e rm a g n e t i ct r e a t m e n tw i t ha c e r t a i ng r o u po fp a r a m e t e r su s e db y p r e v i o u sr e s e a r c h e r s ，t h ee x t e n to fw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s sr e d u c t i o ni nt h i ns t e e lp l a t e w a si n v e s t i g a t e db yd r i l l i n g h o l em e t h o d t h er e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a t ：( 1 ) s t r e s s r e d u c t i o n sb vm a g n e t i ct r e a t m e n ta l eag e n e r a lr u l e ；( 2 ) f o rah i g h e ri n i t i a ls t r e s sl e v e l t h er e d u c t i o n sa r em o r er e m a r k a b l e b yo r t h o g o n a lt e s t ，t h ed e g r e e so ff o u rf a c t o r s a f i e c t i n g r e s i d u a ls t r e s sr e d u c t i o nh a v e b e e n f o u n d ：t r e a t m e n tt i m e f i e l d d i r e c t i o n f i e l df r e q u e n c y e x c i t a t i o nv o l t a g e ；a n da l s ow h e nt h ea b o v ef a t o r st a k i n g v u l e so f 4 0 s ”。 p e r p e n d i c u l a rt ot h ew e l d i n gb e a m ”，“2 h z a n d “2 2 5 v ”i nt u r n ，t h e o p t i m a lp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nh a s b e e no b t a i n e d t h i r d l y , w i t ht h eo p t i m a lp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n ，t h em a g n e t i ct r e a t m e n te t l e c t s o nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ( i n c l u d i n ge l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o nr a t i o ，y i e l ds t r e n g t n ， t e n s i l es t r e n g t h 。e l o n g a t i o na n dh a r d n e s s ，e t c ) o fa n n e a l e ds p i c e m e n sw e r e m e a s u r e d i th a sb e e nf o u n dt h a ta f t e rt r e a t m e n tt h ep l a s t i c i t yo fs p e c i m e ns l i g h t l yi n c r e a s e s ，t h e h a r d n e s sd e c r e a s e sa n da l s ot h ev a r i a t i o n si ns a m ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h o s e s p i c e m e n sa p p a r e n t l yr e d u c e s f u r t h e r , t h ei m a g e so fs c a n n i n ge l e c t r i cm i c r o s c o p eh a v ed e m o n s t r a t e d t h e e x t e n c eo fm a g n e t o p l a s t i cd e f o r m a t i o n a st h ef r e q u e n c yp a r a m e t e rc h a n g e s ，t h e t e n d e n c i e so fm a g n e t o s t r i c t i o na n dm a g n e t o p l a s t i cd e f o r m a t i o nd if f e r t h i sh a s p r o v e dt h a tm a g n e t o s t r i c t i o nc a n n o tb et h em a i nc a u s eo fm a g n e t o p l a s t i cd e f o r m a t i o n i ns t e e l s a tl a s t ，o nt h eb a s i so fd o m a i ns t r u c t u r ei m a g ea n dt h ea n a l y s i so fm a g n e t i z a t i o n c o u r s e ，t h ef u n c t i o nb e t w e e ni n n e rs t r e s sa n dt h ed o m a i nw a l ld i s p l a c e m e n tw a sp u t f o r w a r da n ds o l t l eo fe x p e f i m e n t a lp h e n o m o ni n d u c e db ym a g n e t i ct r e a t m e n tw e r e i n t e r p r e t e df r o mt h ev i e w p o i n to fc h a n g e si nd o m a i ns t r u c t u r e sa n de n e r g y t h e s er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sc a nb eu s e df o raf u r t h e rr e s e a r c ho nm a g n e t i c t r e a t m e n tm e c h a n i s m k e y w o r d s ：f e r r o m a g n e t i c ，l o wf r e q u e n c ya l t e r n a t i n gm a g n e t i ct r e a t m e n t ， r e s i d u a ls t r e s s ，m a g n e t o p l a s t i cd e f o r m m i o n ，m a g n e t o s t r i c t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 期立竺星：望塑 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：z 0 2 一，岁 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 改善和提高材料性能、降低能耗和成本一直是材料领域的重要课题方向之 一。传统的材料处理方法有热处理、合金化和表面处理等。这些方法在使材料 改性的同时往往也存在着各自的不足之处。以目前应用最广泛的热处理方法为 例，它虽然能较好地满足材料的改性需求，但至少存在以下几个缺点【卜3 j ：( 1 ) 耗能多，运行周期长，尤其是在处理大型应力构件时更需要庞大的设备；( 2 ) 处理温度较高，常伴有组织性能和外形尺寸等方面的改变，可能产生新的潜在 不安全因素；( 3 ) 容易引起氧化和部分元素烧损。因此，寻找一种操作简捷、 效果明显、稳定而又无不良附加影响的材料处理方法具有重大的现实意义。 利用磁场处理技术实现材料组织性能快速转变是近三十年发展起来的一种 新型材料处理方法。具体来说，这种技术就是通过将铁磁性材料置于特定磁场 中磁化至饱和或接近饱和状态，从而达到改善材料微观组织、提高性能和延长 使用寿命的目的。相对于热处理等传统方法，磁处理具有诸多优点【1 2 】： ( 1 ) 多方面提升材料性i i ：使用恰当的磁工艺参数处理后，材料残余应力 下降，摩擦系数减小，耐磨性和耐腐蚀性增强； ( 2 ) 节能环保：利用磁处理对大型构件消除应力时，可以仅在构件的局部 高应力区施加磁场，因此所需设备体积小、重量轻，整个工艺基本零污染；磁 处理运行周期短，一般处理刀具的充磁时间仅为几十至几百秒。 ( 3 ) 无附加变形等副作用：磁处理在室温下进行，且时间较短，工件和装 置的温升均可以忽略，因此工件经处理后不会附有变形等负面效果。 ( 4 ) 适用范围较广泛：磁处理技术的适用对象为铁磁性材料，这不仅包括 生产生活中应用最广泛的各种钢制零件和结构，还包括重要的合金添加剂，例 如钻、镍以及稀土元素等。 目前磁处理技术已经开始被国内外企业应用于刀具和钻头的改性处理上。 随着研究的不断深入，这项高效环保的新技术将会得到越来越广泛的应用。而 揭示磁场改善铁磁性材料组织性能的规律和机理，将具有十分重要的科研价值 和现实意义。 武汉理一r = 大学硕士学位论文 1 2 铁磁性材料简介 磁性是物质的基本属性之一，它源于物质中带电粒子因轨道运动或自旋运 动形成的磁矩。宏观物质的磁性根据其不同的特点可分为强磁性和弱磁性两大 类( 图1 1 ) 。弱磁性材料仅在外磁场存在的情况下才能表现出磁性特点，而强 磁性在无外加磁场时仍存在自发磁化【4 】。根据近邻磁矩的排列方式的不同，强磁 性还可以细分为铁磁性、亚铁磁性和反铁磁性【5 j 。目前，铁磁性材料在现有磁性 材料和器件中占有比例最大，因此受到很大重视。常见的铁磁性材料包括铁、 钴、镍、稀土元素及其合金等。 宏观物质的磁性 铁磁性：近邻磁矩排列平行 强磁性 亚铁磁性：部分近邻磁矩t 4 b y j j 平行 反铁磁性：近邻磁矩排列反向平行 弱磁性 图1 1 宏观物质磁性的分类 下面对铁磁性物质的结构和特点稍作介绍。铁磁性的基本特点为自发磁化与 磁畴1 6 1 。所谓“磁畴”是指铁磁性物质内部按原子磁矩排列方式划分成的一个个 小区域，由于近邻原子的相互作用，每个磁畴内部原子磁矩近似地沿相同方向 排列( 即自发磁化) ，这些原子磁矩的合矢量称为磁畴磁矩。由于相邻磁畴的磁 矩方向不同，因此铁磁性材料对外不表现磁性。使用特定仪器可以观察到磁畴 形状，一般铁磁性物质的磁畴宽度约为1 0 一c m ，体积约为1 0 母c m 3 。相邻磁畴之 间的过渡区域称为磁畴壁，其厚度约为1 0 巧c m 【6 】。图1 2 为铁晶须的磁畴结构示 意图。 图1 2 铁晶须的磁畴结构【6 j 当外磁场存在时，铁磁性物质被磁化，其本质上表现为磁畴结构的改变， 即磁畴壁的移动和磁畴磁矩的转动。这将导致铁磁性材料在线性或体积尺寸上 武汉理工大学硕士学位论文 发生微米级别的变化，称为“磁致伸缩”效应5 1 。而且，磁场的存在还会促进材 料中位错的发射、运动和增殖，结果使大部分处于磁场中的材料塑性增强，称 为“磁致塑性 效应【7 1 。可以推想，磁化过程中磁致伸缩和磁致塑性效应等现象 的存在必然将导致材料组织性能的转变。 1 3 铁磁性材料磁处理技术的研究现状 1 3 1 磁处理技术的研究现状 早在1 9 6 5 年，前苏联科学家z a g o r u i k onv 【8 】就发现脉冲磁场会对n a c i 晶 体的塑性产生影响，但这一发现在当时却没有足够的重视。直至上世纪8 0 年代， 前苏联和印度等国家的部分学者也只对磁处理技术进行了一些初步探索，主要 研究范围仅限于磁场发生装置的设计和刀具磁处理工艺等方面，而很少涉及磁 处理的作用规律和机理。 从上世纪9 0 代开始，磁处理技术逐渐得到更多国家研究机构的关注。特别 是在美国、德国、法国及以色列等国，研究人员对磁处理的规律和机理进行了 较为深入的探索。归纳起来，这些研究大致可分为三个方面： ( 1 ) 磁处理效果 磁处理能否使铁磁性材料性能得到提升? 提升幅度究竟有多大? 这些问题 一直是各国研究的热点。 前苏联专家n i k i f o r vypt 9 1 n 用脉冲磁场技术磁化钻头，并验证其耐磨性。 结果发现，磁化处理后，钻头耐磨性提高了1 5 2 倍。 印度学者b o s emsc t l o j 研究了低碳钢在饱和磁场中的疲劳性能，发现饱和 磁场中，低碳钢应力寿命曲线的膝点向着高应力和较少循环数的方向移动，这 表明低碳钢的疲劳极限经磁处理后有所提高。土耳其学者c e l i ka 【l l j 发现，在工 件疲劳裂纹产生初期施加直流磁场可以延长工件疲劳寿命。美国学者f a h m yy 【i 2 l 同样发现脉冲磁场可以提高低碳钢的疲劳寿命。国内西北工业大学吕宝铜等l l 3 j 也发现，当4 5 钢工件疲劳损伤低于某个极限程度时，静态磁场与动态磁场均有 一定程度的修复作用。 美国i n n o v e x 公司利用自行研制的f l u x a t r o nu 1 0 2 刀具磁处理装置降低或消 除高速钢和碳素工具钢刀具因切削或碳化处理产生的残余应力，使刀具平均使 用寿命延长2 0 - - 一5 0 1 1 4 】。美国学者k l a m e c k ibe 1 1 5 1 通过测量微硬度同样推算出 武汉理j 丁大学硕十学位论文 脉冲磁场可以使试样中的残余应力降低4 1 3 。清华大学林健等口】手旨出在降低 工件残余应力方面，动态磁场较稳恒磁场更加显著，7 而动态磁场中又以低频间 歇波励磁电流的处理效果最好。 美国学者b o c k s t e d tj 【1 6 】发现轴承在无磁场环境下使用时，铁磁性垫圈的微 硬度增加约5 ，但是当相同轴承在脉冲磁场中使用时其垫圈微硬度却下降约 9 ，这意味着垫圈磁化后发生了“软化”现象。p r a s a dsn t l 7 j 等也发现，。经过 脉冲磁处理后，冷轧钢a i s i4 3 4 0 的硬度下降。法国学者p a u l m i e rd 等【1 8 】却发 现直流磁场可以降低钢材的表面摩擦系数，提高微观硬度。 俄罗斯科学家s n e g o v s k i jf d 【l9 j 等对受空穴腐蚀的轮船用水轮机叶片进行磁 处理，然后再进行试用实验，结果表明经过磁处理叶片的使用寿命为原来的1 5 2 倍。清华大学林健【2 0 】等也发现低碳钢焊缝接头在低频间隙方波磁场处理后也得 到了一定程度的改善。 可见，磁处理可以在多个方面有效地改善铁磁性材料性能。目前，磁处理 技术的部分研究成果已经在工业生产中得到应用。据报道，武汉晶泰科技有限 公司将磁处理技术应用到电路板( p c b ) 钻头改性上，取得了良好的经济效益。 ( 2 ) 磁处理参数选择与优化 选择怎样的磁处理参数( 如磁场波形、频率、强度、方向和处理时间等) 可以达到使材料改性的效果，也是目前的研究热点之一。 清华大学唐非、鹿安理等【2 1 2 4 1 研究了磁场频率参数对降低工件残余应力的 影响，结果发现5 h z 以下的低频处理所造成的应力下降幅度最大。林健和蔡志 鹏【2 5 2 7 】等发现，当磁参数组合取磁感应强度1 8 5 t 、处理时间3 0 0 s 、方向垂直于 最大主应力时，2 0 钢焊缝残余应力下降幅度最大；而磁参数组合耿磁感应强度 1 6 t 、处理时间1 2 0 s 、方向垂直于钢板时，残余应力上升幅度最大。 磁处理效果还受研究对象的应用环境和服役工况的影响。美国学者b a t a i n e h o 等【2 8 】发现高速工具钢钻头磁化处理后在恶劣工况下使用其寿命提高3 5 5 ，在 普通工况下寿命却降低1 0 。与之相反，i n n o v e x 公司在研究过程中却发现，尽 管_ 般情况下可提高寿命2 0 - - 一5 0 甚至17 5 ，但在高转速与大进给量工况下， 磁处理的效果反而变坏【l l 】。景维钟( 2 9 j 、赵永成等指出，带磁切削或磁化后未 退磁的刀具或钻头，在服役时将受到磁场( 外加磁场或刀具剩磁磁场) 、应力场 和温度场等动态综合作用，其寿命延长( 或缩短) 受服役工况的影响更大更复 杂。 因此，磁处理的效果与工艺参数取值、工件服役工况等诸多因素相关。有 4 武汉理工大学硕士学位论文 必要了解所研究工件的应用环境，并有针对性地进行磁工艺参数的优化选择。 ( 3 ) 磁处理作用机制 关于磁处理如何使工件性能改善( 即磁处理的作用机制) 的研究相对较少， 且观点尚未达成一致。截止到目前，主要出现过以下几种观点： n i k i f o n ，yp 【9 l 认为钻头耐磨性得到提高是由于磁处理消除了钻头制造和热 处理中产生的缺陷，促进了材料组织的相过渡以及等温转变的移动速度。 h o c h m a nrf 1 3 l 】等将磁处理效果归结为钢铁材料的表面微观结构受磁场影 响，服役时摩擦系数降低，摩擦热随之降低，进而使用寿命得以延长。b a t a i n e h o 【2 8 】利用有限元模拟方法，提出“动态磁场导致工件表面产生感应电流及与磁场 力有关的热能，引起表面微观结构改变，进而影响工件寿命”的观点。 b o s e msc t m 】提出，磁处理使材料改性是材料内部磁畴壁在外加磁场作用下 吸振能力的降低和磁致振动使材料应力松弛两者共同作用的结果。i n n o v e x 公司 人员也认为，工件寿命提高得益于它们在磁处理过程中释放了一定的应力【l l 】。 目前，应力松弛理论逐渐得到越来越多的研究者的认可，但应力松弛的原 因还尚未有定论。k l a m e c k ibe t l5 1 、景维钟2 9 1 和唐非 2 1 - 2 3 , 3 2 1 都是从磁处理降低残 余应力着手研究了磁处理使材料改性的微观机制。他们进一步提出，铁磁性材 料改性与试样在交变磁场中的磁致振动有关；磁处理降低残余应力可能是因为 在磁致振动过程中，畴壁运动和微区的非均匀应力相互作用而导致的非弹性变 形累积的结果。蔡志鹏等【3 3 】测定了磁致伸缩的振动幅度，发现磁致振动所引起 的应力应变不足以导致原始残余应力大幅下降。吴憨等【3 4 , 3 5 j 通过透射电镜图象发 现，磁处理后位错密度和分布状态发生了改变。蔡志鹏 3 6 , 3 7 】进而提出，材料在 磁场中性能得以改善是因为磁场能量使位错得以激活和重新分布，产生局部的 磁致塑性形变使得微区应力得以平衡，最终导致宏观残余应力下降。 1 3 2 存在的问题 目前，虽然磁处理已经得到众多国家科研机构和科研工作者的重视，但是 在该技术的研究和应用中还存在不少问题。归纳起来可以有以下几点： ( 1 ) 。磁处理使材料改性的规律尚未完全掌握 如前所言，磁处理效果与工艺参数紧密相关，不恰当的磁工艺参数可能产 生负面的改性效果；对于不同使用工况的工件，经同一磁工艺参数处理后的改 性效果也可能刁i 同。只有明确掌握了磁处理在改善各种材料组织性能等方面的 规律，才能更好地将此技术推广应用。 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 磁处理的作用机理尚未形成系统理论 目前关于铁磁性材料的磁致塑性形变理论及其与位错、应力等的关系仅停 留在定性分析阶段，相关组织演变机理还没有得到更加清晰明确的解释。如何 准确、科学地量化分析材料组织结构在磁处理过程的变化，尚需大量理论分析 和试验探索。 ( 3 ) 磁处理效果有待提升 阻碍磁处理技术发展和推广的因素中，除了上述所提的对规律与机制研究 不成熟外，磁处理效果有限也是重要原因之一。以降低残余应力为例，就已有 报道而言，即使在磁参数选择恰当的情况下，磁处理降低残余应力的幅度也不 超过5 0 。这可能无法满足某些产品的处理要求。可见，除优化磁工艺参数外， 寻找其它途径来进一步提升磁处理效果也是很有必要的。 1 4 课题的来源、目的和意义 本课题来源为武汉市科技攻关计划项目( 项目编号：2 0 0 6 7 0 0 3 1 1 1 0 5 ) 。 在课题开展中，将以低频交变磁场作为外能量场对以低合金高强度钢为主 的铁磁性材料进行处理，寻求其组织性能的变化规律，探索分析磁处理的作用 机制。通过本课题的研究，进一步开发和完善“低频交流磁处理”这一新型的 材料处理技术，以期在有效提高材料性能的同时，又节约能源，取得良好的综 合效益。 1 5 本文主要研究内容 本文采用试验检测与理论分析相结合的研究方法，从磁处理降低材料残余 应力的角度入手，研究揭示磁处理改善和提高低合金高强度钢等铁磁性材料微 观组织和宏观力学性能的规律和机制。具体来说，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过磁路计算和分析，设计制作一套低频交变磁场装置( 包括磁化器、 变频器、调压器以及试样夹具等部分) 。 ( 2 ) 通过测量和比较低频交变磁处理前后试样中的残余应力，寻求磁处理 改变残余应力的规律：在此基础上，通过f 交试验方法，优化磁工艺参数。 ( 3 ) 通过测量和比较低频交变磁处理i ，j 后试样弹性模量、泊松比、屈服强 度、抗拉强度以及硬度等力学性能指标，寻找磁处理影响试样宏观力学性能的 武汉理工人学硕士学位论文 规律。 ( 4 ) 通过对不同频率的磁场作用t i , l 样的磁致塑性形变和磁致伸缩幅值进 行观察或测量，揭示磁致伸缩与磁致塑性形变的关系；通过对磁化过程中磁畴 壁移动造成的磁畴结构和能量的变化进行分析，揭示磁处理的作用机制。 武汉理- r = 大学硕士学位论文 第2 章低频交变磁处理装置的设计与制作 2 1 引言 如前所言，磁处理是将铁磁性试样置于特定形式的磁场中通磁至某种状态， 从而实现试样材料组织性能快速转变的一种材料处理方法：磁处理过程中所需 的磁场是由一定的励磁装置产生的，因此励磁装置设计的好坏直接影响磁处理 的效果。考虑到低频交变磁场在处理试样时效果比静态磁场更为显著，本文设 计和制作了一套低频交变励磁装置。 ， 整个磁处理装置由交流电源、调压器、变频器、磁化器以及试样夹具组成 ( 见图2 - 1 ) 。调压器和变频器可以按照所需规格在市场上选购；磁化器是整个 励磁装置的关键所在，它需要自行设计与制作。此外，励磁装置要对不同形状 和大小的试样进行处理，同时要保证整个磁路闭合以降低漏磁，这些功能需要 借助一定的试样夹具来实现。 试样夹具 2 2 磁化器的设计 图2 1 磁处理装置示意图 磁化器主要由铁芯、线圈绕组和导线等部件组成。当线圈绕组中通以特定形 式的电流时，绕组内部便产生了相应形式的磁场。磁力线方向与电流矢量方向 之间符合右手螺旋定则。当将铁芯置于线圈中时，铁芯材料中的感应磁场与外 磁场方向一致，整个磁路的磁通会大大增加。这种情况下，在相对较小的励磁 电流作用下，绕组内部便可以产生足够大的磁通和磁感应强度。 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 1 铁芯的设计 下面选择铁芯的规格型号。由于处于交变磁场中的铁芯由于磁滞和涡流效 应会产生一定功率损耗，即所谓的“铁损【引，因此，选用铁芯时既要起到增强 磁场的效果，又要尽可能的减少铁损。参考变压器的设计原则【38 1 ，选用变压器 用标准硅钢铁芯，它具有体积小、磁感大、易于制造、价格相对便宜等多个优 点。铁芯尺寸应适当大，这是因为尺寸过小，达到磁饱和时磁导率降低、磁阻 增大，从而消耗过多磁势。但是，考虑到试样磁处理前采用焊接方法产生残余 应力、磁处理后采用盲孔法测残余应力，铁芯尺寸也不宜过小。综上，选取单 相c d 4 0 x 8 0 1 6 0 型标准硅钢片铁芯( 单只) 作为磁化器的铁芯，外形尺寸如图 2 2 所示。铁芯材质为日本产z 1 0 型优质冷轧晶粒取向硅钢片。 j o 。 o 骂并 j 芏 b = 8 0 ( a )( b ) 图2 2 单只c d 4 0 8 0 1 6 0 型铁芯尺寸 2 2 2 磁路计算与磁化器的制作 磁化器在正常工作状态下，试样与铁芯等近似形成闭合磁路，其简化模型 如图2 3 所示。为确定合适的励磁电流、线圈绕组匝数以及导线直径，需对磁路 进行分析和计算。 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 3 磁化器计算模型图 参考铁芯尺寸，设试样长度为名挂= l = 1 4 4m m ，截面尺寸为 & 件= 6 试样厅试样= 8 0 2 0 = 1 6 0 x1 0 3r a i n 2 。为保证磁化器能够产生足够大的磁感应 强度，假设试样内部最大磁感应强度为。= 2 0t 。( 根据文献 3 9 ，当感应强 度为2 0 t 时，多数铁磁性材料都能够达到饱和磁化状态。) 经过铁芯和试样的中线作矩形磁路如图2 3 中虚线所示，a b - - c d = 1 0 4 m m ， b c = a d = i1 0 m m 。通磁后，电磁力将试样紧密吸附在铁芯上。但是考虑到试样下 表面和铁芯上表面的粗糙度、平面度以及两接触面间的平行度等问题，取空气 隙长度为嚏= 0 1 m m ( 具体参见2 2 2 2 小节中的讨论) 。计算时不考虑漏磁，即 认为磁路中磁通完全通过磁导体，则整个磁路的磁通为 痧= b ，。s 试辑- - 2 0 x ( 1 6 1 0 3 1 0 却) = 3 2 0 x 1 0 。w b( 2 - 1 ) 2 2 2 1 磁路各组成部分磁势的计算 ( 1 ) 铁芯的磁势 铁芯的截面面积各处相等，均为 s 。= 4 0 8 0 1 0 “= 3 2 0 1 0 q m 2( 2 2 ) 执o 、 由于硅钢片间缝隙及表面漆层等因素，需考虑其截面的折扣系数( 即占隙 系数) 。取z 1 0 硅钢片的占隙系数【3 8 i k ，= o 9 1 ，则铁芯净截面面积为 s 二占= s 铁芯。k r = 3 2 0 1 0 。3 0 9 1 = 2 9 1x1 0 。m 2 ( 2 - 3 ) 铁芯内磁感应强度为 铪乏= 篆等乩o t 陋4 ， 参考干式变压器设计中有关“般冷轧硅钢片磁感应强度不高于1 4 t ”的 l o o o o o o 武汉理工人学硕士学位论文 规范【3 8 】，此处芯= 1 1 0 t 符合要求。 查z i o 硅钢片的磁化曲线，得铁芯内磁场强度h 铁芯= 2 0 0 a m ，故铁芯磁 势为 & 芯2 日铁芯( a b + 2 a d h 试样) 1 0 一= 2 0 0 ( 1 0 4 + 1 1 0 x 2 2 0 ) 1 0 一= 6 0 8 0 a( 2 5 ) ( 2 ) 试样的磁势 试样的截面积为 s 工件= 1 6 0 x1 0 。m 2( 2 - 6 ) 试样的磁感应强度为 b 。= 2 0t( 2 7 ) 假设试样材质为低合金钢q s t e 4 2 0 ，查其磁化曲线f 39 1 ，得试样内磁场强度 蚝样5 0 x 1 0 4 a j m 磁路中h d c - g 段均在试样内部，这部分试样的磁势为 足样= h 试样( ，试样+ k 样) 5 0 x1 0 4 ( o 1 0 4 + 0 0 2 0 ) = 6 2 0 x1 0 3a( 2 8 ) ( 3 ) 空气隙的磁势 这里认为空气隙的截面积等于铁芯毛截面面积，即 s 气隙= s 铁芯= 3 2 0 x 1 0 3 m 2( 2 - 9 ) 空气隙的磁感应强度为 砉= 器乩咖 ( 2 - l o ) 空气隙的磁场强度为 = 鲁= 器= 7 9 6 x 1 0 5 a m ( 2 - 1 1 ) 式中，鸬= 4 n 1 0 。h m 为真空磁导率，此处近似用作空气的磁导率。 因此，空气隙的磁势为 f 气隙= 2 h 气隙，t 隙= 2x7 9 6 x1 0 5 0 1 x1 0 一= 1 5 9 x 1 0 2a ( 2 1 2 ) ( 4 ) 整个磁路的总磁势 f = 隙+ 足样+ 乓芯1 5 9 x1 0 2 + 6 2 0 1 0 3 + 6 0 8 0 = 6 4 2x1 0 3a ( 2 13 ) 2 2 2 2 关于空气隙长度选择与试样厚度选取的讨论 ( 1 ) 空气隙的宽度的选择 在上述计算中，空气隙长度，取值为o 1 m m 。这是基于如下考虑的：试样 下表面经打磨处理后粗糙度的算术平均偏差r 。接近3 2 a m ，平面度公差接近 武汉理工大学硕士学何论文 8 0 9 m 4 0 1 。硅钢片铁芯两臂上表面可达同样要求。此时，两贴合表面间距( 即空 气隙长度z 气隙) 范围为o 1 6 6 4 l a m 。取k 隙= 1 0 0g m ，此时空气隙的磁势为 1 5 9 x1 0 2 a ，约占整个磁路总磁势2 4 8 。可见，空气隙长度取值对整个磁路的 影响并不太大。 ( 2 ) 试样厚度对其内部磁感应强度的影响 不考虑漏磁，由磁通连续性知所有磁力线均经过主磁路，则有 肌m 晓缸吒扣 去+ 丧+ 丧j ( 2 _ 1 4 ， 在上式中，为线圈总匝数，为励磁电流。这里有关磁化器和气隙的参数均可 视为常数，若在保证试样材质和长度不变的情况下，仅增大试样厚度，将导致 试样截面积变大，从而使试样内的磁感应强度变小。也就是说，为保证磁处理 效果，试样厚度不宜过大。 2 2 2 3 感应线圈匝数和导线直径的确定 由磁场安培环路定理得 ( i 删z = 5 1 ( 2 1 5 ) 即 f = n i ( 2 1 6 ) 可以看出，电流与线圈总匝数有成比关系。一方面，为了达到较小的电流 即可获得较大磁通的目的，线圈匝数应该尽可能多：另方面，铁芯两臂长度 一定的情况下，线圈匝数过多又会导致绕组线圈的厚度太大，从而受到铁芯窗 口宽度的限制。因此，实际设计中，需尝试选取不同的励磁电流值和线圈匝数 组合，最终达到电流较小且线圈厚度也适中的目的。经计算，电流值i = 4 a 时 可较好地满足要求。此时对应的线圈匝数为 ：曼= 鱼：丝兰型：1 6 0 5 匝 ( 2 1 7 ) l 4 考虑到漏磁，线圈匝数确定为n = 1 6 2 0 匝。 因磁处理时i b j 短，发热量小，导线标称直径选为d = 1 f i l m 。参照国家标准 g b t6 1 0 9 1 9 9 0 4 1 1 ，选择q z 一1 1 3 0 型聚酯漆包铜圆绕组线，其最大外径为 1 0 6 2 m m 。 将该漆包线多层叠绕于两臂上，各8 1 0 匝。层蒯采用d l z 1 2 型( 厚度为 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 o 1 2 m m ) 的电缆纸作纵绝缘。两线圈间顺向串联以保证磁路包围的两电流方向 相同，这样可实现两线圈绕组中的感应磁场同向。 每个线圈高度为 h 。= n o 吒= 8 1 0 x1 0 6 2 = 8 6 0 2 2 m m( 2 - 1 8 ) 若每个臂上可绕线圈的长度为l 。= 6 0 m m ，则每个线圈层数e 为 。p ：_ h o = 百8 6 0 2 2 1 5 层( 2 - 1 9 ) p = = 一i 、k 2 l 6 0 一 由上式知道，磁化器的每个线圈绕组1 5 层，每层均绕5 4 匝。 因外层线圈周长随层数的增加而增大，通过几何计算得出线圈平均周长c c 出2 椰，爿+ b + ( 2 + 7 4 3 ，黜 ( 2 - 2 0 ) ：2 i4 0 + 8 0 + ( 4 + 1 4 4 j ) 半l - 2 6 9 9 7 m m 上式中， a 、b 分别为磁化器两臂截面积的宽度和长度，其取值参见图2 2 。 铜导线总长 l 导线= n c = 1 6 2 0 2 6 9 9 7 1 0 。= 4 3 7 3 5m( 2 - 2 1 ) 考虑接线等其他因素，总长修正为l = 4 3 8m 。 下面计算导线电阻。根据文献 3 8 】，温度为臼时导线电阻率可作如下计算 岛= p 2 。+ a ( 0 2 0 ) j ( 2 - 2 2 ) 上式中，p 为2 0 - - - 2 0 。c 时导线电阻率，对于铜导线，p = 1 7 9 x l o 2 q 1 1 1 1 1 1 2 m ： 口为电阻温度系数，取口= 圭= 4 2 6 1 0 。； 9 为导线实际工作温度。 假设工作时温度升至4 0 。c ，即曰= 4 0 ，代入式( 2 2 2 ) p 6 0 = 1 7 9 1 0 2 【l + 4 2 6 x1 0 3x ( 4 0 一2 0 ) 】= 1 9 4x1 0 2q i i l l l 1 2 m 1 ( 2 2 3 ) 因此，4 0 。c 时导线电阻为 耻警= 等掣以6 。q ( 2 - 2 4 ) 导线的质量m 导线为 聊旷附等小( 8 9 x 1 03 ) 型筹掣4 4 0 _ 3 4 3 k g ( 2 - 2 5 ) 2 2 2 4 铁芯损耗的估算 经称量，磁化器铁芯的质量m 约为1 8 k g 。取向钢在磁感应强度为1 7 t 、频 率为5 0 h z 时，规定的最大铁损p 1 7 为1 3 0w k g f 4 2 1 ，则此时铁芯的最大铁损约为 武汉理t 大学硕士学位论文 尸= m 鼻，= 1 8 1 3 0 - - - - - 2 3 4 0 w ( 2 2 6 ) 由于硅钢片的铁损随外磁场频率和铁芯内磁感应强度的降低而减少【4 2 ，4 3 1 ，本 文中铁芯内磁感应强度不超过1 4 t ( 见2 2 2 1 节) ，并且磁处理时采用5 0 h z 以 下的低频，因此实际硅钢片的铁损比式( 2 2 6 ) 计算结果小。 2 。2 2 。5 磁化器绕组的加工与制作 参照文献 4 4 ，制定磁化器绕组的加工规范与技术要求( 图2 4 ) 。委托江 苏省红卫变压器厂完成磁化器绕组的制作。 ，图2 4 磁化器绕组的加工规范 2 2 3 工件夹具的设计 利用2 2 2 小节中加工制作的磁化器处理长度大于l o o m m 的板状试样时， 可以通过将试样直接搭结在铁芯两臂的上表面并依靠电磁力的约束完成磁处理 过程。试验中还常常需要对不同形状和大小的试样磁处理，这就涉及到试样的 夹紧和固定问题，为此设计了如图2 5 所示的试样央具。它由夹板、连杆、辅 1 4 武汉理上人学硕十学位论文 助钢块、螺母及终，l