脉冲强磁场消除铝合金环件残余应力的机理研究

1、引言

大型铝合金环件通常用作复杂构件的锻造坯料，例如火箭过渡环和风电轴承环。这些环件的结构稳定性与力学性能显著影响着相关设备的装配精度和安全性能。然而在制造过程中，不均匀的热载荷和机械载荷会向环件引入残余应力。这种残余应力会降低材料的尺寸精度和机械强度，导致长期使用时出现塑性失稳、构件变形及应力腐蚀开裂等严重问题。因此，残余应力的控制与消除在铝合金环件制造过程中至关重要。ShigeoOikawa

等人根据作用尺度将残余应力分为三类（图1(a)）：I型残余应力是宏观尺度，因工件不均匀变形产生；II型残余应力是微观尺度，源于材料内晶界非均匀变形；III型残余应力也是微观尺度，由材料晶粒内晶格缺陷产生

常用残余应力消除方法包括机械法和能量法。机械法（图1(b)）主要通过施加超过材料屈服强度的外力，诱发塑性变形以释放残余应力，包括机械拉伸和深冷处理。尽管这些方法满足高力学性能要求，但刚性工具接触可能损伤表面并引入新残余应力。能量法（图1(c)）通过施加外部能量，加速金属原子回归平衡位置，降低晶格畸变，促进位错均匀分布，最终消除残余应力。包括热处理、振动时效、超声振动。尽管这些方法有效（尤其热应力消除法），但可能导致晶粒粗化，降低构件强度和尺寸精度，故不适用于高强度精密构件。图1：

(a)

残余应力分类、

(b)

机械法和

(c)

能量法近年来，磁场技术因其环保性和高可控性，已成为金属材料加工及残余应力调控的新方法。该技术利用磁致收缩、相变和冷却效应消除残余应力并强化构件。但现有技术磁场强度低（<3T），目前仅限于小尺寸工件的机理研究，尚未实现有效工程应用。而传统残余应力处理方法受限于作用机制，难以平衡有效消应力与构件高性能需求。本文提出采用脉冲强磁场（PulsedHighMagneticField，PHMF）技术消除铝合金环件残余应力的新方法。与传统磁处理不同，PHMF具有高强度场和瞬时效应，可引起显著机电效应。该方法通过脉冲洛伦兹力与构件柔性接触，为金属原子和位错运动提供能量，实现所需塑性变形，进而有效降低残余应力。2、原理与方法2.1

电磁胀形原理

传统准静态冷胀工艺如图2(a)所示：环件内表面接触模具并在胀形力作用下变形，模具间隙处因变形不均形成内表面"台阶"。图2(b)展示了脉冲强磁场消除铝合金环件残余应力的过程：电容器通过脉冲线圈放电产生强脉冲磁场，在环件内表面感应出涡流，形成作用于金属环的电磁斥力。初始拉应力区达到屈服强度发生塑性变形，放电结束电磁力撤除后，塑性变形区仅保留极小弹性应力，从而实现残余应力消除。此外，电磁力可抵消原压应力区的压缩应力，进一步促进应力消除。图2

：

(a)

准静态冷胀工艺、(b)

高速电磁胀形工艺

脉冲电磁力加工具有三大优势：1.柔性加载：脉冲电磁力具有柔性加载特性，线圈（施力部件）不与工件刚性接触。同时，线圈与环件同轴排布使电磁力沿内表面周向均匀分布，促进均匀环向胀形。2.深度可控：电磁力是作用于整个趋肤深度的体积力（图2(b)）。通过调节电路参数可精确控制电磁力影响深度，较传统机械载荷减少表面接触引发的应力集中缺陷[19]。3.高冲量特性：脉冲电磁力可在极短时间内产生高冲量，满足成形所需的动量传递[20]。大型环件实际生产中，淬火与冷胀工序间隔不得超过4小时。传统消应力方法难以满足此类严苛时效要求，本方法因作用时间短、加工效率高而具有显著优势。图3

：

(a)

胀形磁体结构示意图、

(b)

大直径环件胀形平台、

(c)

机理探索平台、

(d)640μF电容器组、

(e)7680μF电容器组2.2

实验2.2.1

实验装置

图3展示了电磁胀形平台的组成与结构。针对直径分别为118mm和717mm的铝合金环件，设计搭建了两个放电平台。717mm大型环件通过热轧制造，118mm环件采用线切割从轧制铝板切取。为匹配成形线圈尺寸，对大直径铝环底面和内表面进行高速小进给车削加工。车削过程中采用液冷，最大限度减少二次加工引发的机械-热应力影响，从而保留原始应力分布特征。2.2.2

实验设计和残余应力测试为研究铝合金环件电磁胀形后残余应力变化规律，对6061铝合金环件（外径118mm）施加4.5kV、4.8kV、4.9kV、5kV、5.2kV、5.5kV和5.7kV放电电压进行实验，以诱导梯度变形。另对5A06铝合金环件（直径717mm）采用两种放电模式胀形实验：多次放电模式（10kV、11kV、12kV、14kV、16kV渐进增压）与单次放电模式（16kV单次放电）。在铝环四个表面进行PHMF处理前后的原位残余应力测试。制定测量方案如图4所示，上表面和下表面，径向和圆周测量残余应力。在内表面和外表面上，轴向和圆周方向测量残余应力。图4

铝合金环件测点布置与测量方法示意图3、结果和讨论3.1

塑性变形与残余应力的关系

在118mm直径铝环胀形实验中，不同放电电压下单次放电序列下的环件直径增长率与放电电压的关系如图5(a)所示，变形范围从塑性变形初始阶段延伸至超过4%。图5(b)和5(c)分别展示了平均径向与周向残余应力随放电电压的变化规律。通常，随着变形量增加，铝环径向与周向残余应力均呈下降趋势，且压应力最终转变为拉应力。此现象归因于I类残余应力的释放，塑性变形增加促使材料重新分布应力，最终导致应力反转。图5：(a)

直径变化率，

(b)

径向残余应力，

(c)

轴向残余应力

此外，残余应力分布的均匀性反映材料均质程度。未处理工件的周向与径向残余应力数据点分布更分散，放电胀形后残余应力分布显著集中。随着放电电压从0增至5.2kV，残余应力分布均匀性提升，各位置应力差值减小。但当电压升至5.5kV时，应力分布再次分散，这表明过度塑性胀形可能对残余应力分布均匀性产生负面影响。3.2

微观结果与应力松弛机制3.2.1

微塑性变形与晶粒细化

本节通过研究电磁胀形过程如何具体影响三种类型的残余应力来探讨残余应力消除的机制。核平均取向差（KernelAverageMisorientation，KAM）值常用于反映特定区域塑性变形程度[21]。图6(a)-(c)展示铝环试样的KAM分布，图6(a)未处理试样存在高KAM值区，表明前期加工存在应力集中，随放电电压增加，试样KAM分布更均匀，平均KAM值也随之增加。这说明随环件宏观变形量增加，微观晶粒间塑性变形趋于均质化，促使应变更均匀地重新分布，有利于晶粒间新内应力的协调，从而有效释放残余应力。图6

：(a)

原始试样、(b)4.9kV处理试样、(c)5.5kV处理试样的KAM分布及频率；(d)

未处理试样、(e)4.9kV处理试样、(f)5.5kV处理试样的EBSD分布及晶粒尺寸图6(d)-(f)呈现了三个试样的晶体取向图，展示了晶粒的分布、尺寸及形态。图像显示随着放电电压增加，铝环的平均晶粒尺寸显著减小。未处理试样中部分晶粒因前期加工受力与受热不均呈现轻微拉长现象，而电磁胀形后畸变晶粒转变为等轴状。随着放电电压升高，小尺寸晶粒数量明显增多，表明胀形过程中持续的晶粒细化重组了不稳定晶粒结构，通过形成小晶粒释放了Ⅱ类残余应力。3.2.1

织构弱化与位错运动

图7展示了三个试样不同晶面的极图。图中{001}、{110}、{111}分别代表三种晶面取向，极密度分布反映了晶体取向集中程度。图8(a)中原始工件最大极密度超过7，而经电磁胀形的另两个工件最大极密度约为5，表明原始铝环织构最为显著。电磁胀形工艺可弱化材料织构，有利于提升材料性能。图7：(a)原始试样、(b)4.9kV处理试样、(c)5.5kV处理试样的晶面极图，以及(d)未处理试样、(e)处理试样的TEM结果

对PHMF处理前后的试样进行TEM观测，位错分布如图7所示，图中黑斑代表位错缠结。观察到大量位错在晶界处聚集，形成由加工硬化导致的平行位错结构，这类位错缺陷不可避免地引发微观残余应力。胀形前后试样对比表明，胀形后位错密度显著增加且分布更均匀，同时在处理后的试样中观察到大量亚晶界及亚晶结构。这些现象表明，脉冲磁场能量输入在晶粒内部诱发了大量位错，这些位错在原粗晶粒内形成位错线，随着应变增加，不同方向的位错线相交形成位错缠结和位错墙。位错交互作用将初始晶粒分割为更小单元，为降低总能量状态，位错线与位错墙转化为亚晶界，最终形成相对稳定的亚晶。这些亚晶尺寸小于原始晶粒，且缺陷密度降低。在通过位错运动形成亚晶的过程中，两个关键机制促使残余应力降低：一、晶粒间非均匀应力的重新分配达到新平衡，从而消除Ⅱ型残余应力；二、Ⅲ型残余应力通过新亚晶界和亚晶的形成得以释放。3.2.3

动态恢复和再结晶

进一步探究亚晶形成的成因与比例。多晶金属变形过程中，外部能量输入引发的位错滑移与重排导致晶粒发生回复与再结晶。这些过程可消除材料内部的晶格畸变、空位缺陷和位错缺陷，有效降低残余应力[22]。但传统退火处理中，再结晶温度下会发生形核与晶粒长大，导致材料结构强度下降[23]，这是常规应力消除方法的局限。图8展示了不同电压下的取向差角分布及形变-再结晶显微组织图。图中黑色晶界代表取向差大于15°的大角度晶界，红色晶界代表取向差小于15°的小角度晶界。电磁胀形后红色晶界密度增加，表明胀形过程中形成了小角度晶界，小角度晶界通常是亚晶的界面，说明电磁胀形过程中形成了相当数量的亚晶结构。图8：(a)原始试样、(b)4.9kV处理试样、(c)5.5kV处理试样的取向差角分布，以及(d)原始试样、(e)4.9kV处理试样、(f)5.5kV处理试样的形变-再结晶显微组织图

在形变-再结晶显微组织图中，蓝色代表再结晶晶粒，黄色代表亚晶，红色代表变形晶粒。结果表明，金属材料回复过程中，通过位错滑移与空位运动形成大量亚晶，降低晶体缺陷密度，致使Ⅲ型残余应力显著降低。但该电压下铝环过度变形诱发新的微观组织畸变，正是这些变形晶粒导致高放电电压时残余应力测量值离散性增大。

基于宏观应力测量与微观组织表征，总结出环件PHMF胀形消除残余应力的机理（图9）：当PHMF诱导的脉冲电磁力超过材料屈服强度时，塑性变形释放Ⅰ型残余应力；适当载荷力促进位错运动与增殖，大量位错移动形成亚晶界与亚晶，实现晶粒细化，晶粒内部应力重分布促使Ⅱ型残余应力松弛；同时位错运动使畸变晶粒转化为等轴晶，减少晶体缺陷从而缓解Ⅲ型残余应力。但电磁力过大会导致晶粒畸变及高KAM区域出现，致使残余应力测量值分布离散。因此适度PHMF处理可有效释放工件残余应力。图9

脉冲强磁场去除残余应力机理3.3

大尺寸环件残余应力演变3.3.1

电磁力场分布特性

针对直径717mm大型铝环的胀形研究，通过实验与仿真获得成形过程中电-磁-力场关键参数，由于电磁力属于体积力，其主要作用区域集中在趋肤深度范围内。图10(a)-(c)展示了16kV放电电压下1ms、2.5ms、4ms时刻的洛伦兹力分布：1ms时力集中作用于环件内表面且数值较高，随放电进程快速向环件内部渗透。结合图10(d)电磁力变化曲线分析可见：虽然初始阶段出现局部力峰值，但环件整体径向电磁力在6ms左右达到峰值，说明局部力峰值的减弱不影响环件整体受力的提升。这种体积力加载方式有助于减轻应力集中，避免引入新残余应力。图10

洛伦兹力分布：(a)1ms

、(b)2.5ms

、(c)4ms

、(d)

环件中线径向力时变分布3.3.2

结构尺寸与残余应力演变

各放电电压下环件直径变化曲线与雷达图示于图11(a)。铝环变形量不随放电电压线性增长，更高电压会导致更显著的变形增量，这主要源于能量与放电电压平方成正比。计算铝环四个表面的平均残余应力，绘制环件平均残余应力与放电电压关系如图13(b)所示：一方面，铝环整体应力绝对值随放电电压升高逐渐降低，且电压越高降速越快；另一方面，胀形过程未显著改善或恶化残余应力测量值的离散性。图11：(a)不同放电电压下铝环内外径变化曲线及尺寸分布雷达图，(b)铝环平均残余应力随放电电压变化曲线

使用AIS3000便携式力学性能测试仪测量胀形前后环件，力学性能结果见表1。数据显示电磁胀形处理后各项力学性能均有小幅提升，表明本文新方法未削弱材料力学性能，反而增强了金属材料强度。表1

电磁胀形前后力学性能对比3.3.3

环件不同位置应力变化规律

为提升铝环与线圈装配精度，实验前对铝环上端面及内壁进行了高速慢走刀车削，该加工过程引入残余应力使分析复杂化。为深入探究铝环各表面残余应力分布，选取未经车削的下端面与外壁应力结果进行讨论。图12(a)展示PHMF胀形前后端面周向与径向残余应力分布，图12(b)(c)分别显示外表面和内表面的周向与轴向残余应力分布。可见电磁胀形后端面周向应力降幅81.6%，径向残余应力降幅75.9%，外表面周向应力降幅67.0%，轴向应力降幅61.5%。而内表面应力消减效果较弱：周向应力仅降低17.5%，轴向应力降低47.2%。内表面低消减率源于应力方向逆转，周向平均应力从初始压应力-123.5MPa逆转为拉应力101.9MPa，绝对值增幅达225MPa。总体而言，电磁胀形有效降低了各表面所有方向的残余应力，但内表面因变形更大导致应力方向反转。图12

脉冲强磁场处理前后残余应力雷达图：(a)端面

(b)外表面

(c)内表面3.3.4

不同放电模式的影响

本节主要研究两种放电模式对大尺寸铝合金环件残余应力消减效果的影响。两种模式下环件初始内外径均为597.0mm和717.5mm。表2对比显示：虽然两种胀形模式最终放电电压均达16kV，但单脉冲模式引起的内外径变形量更大；同时两种模式下环件平均残余应力均降至约-30MPa，值得注意的是单脉冲模式应力消减效率达84.9%，略高于多脉冲模式的80.7%。这是因为在多脉冲放电模式下，即使最终电压达16kV，环件与线圈间距仍大于单脉冲模式，材料屈服强度更高。表2

不同放电方式下处理前后环的尺寸变化图13不同放电模式周向残余应力消除率对比：(a)端面

(b)外表面

(c)内表面

图13对比了两种胀形模式处理前后的残余应力及释放率变化。结果表明：无论从残余应力值变化还是消除率衡量，单次放电法对周向残余应力的消除效果均优于多次放电法。这是因为应力消减效果与塑性变形量正相关，变形量越大则消减效果越显著。结合表2数据可推断，单次放电法的优异表现主要源于其能诱发更大的周向变形。4、结论

针对传统残余应力消除方法难以兼顾有效消除应力与保持结构强度的固有难题，本文提出PHMF技术高效消除合金环件残余应力的新方法。通过设计电磁胀形实验平台探究