磁測(cè)法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用

張衛(wèi)亮

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

1 金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)定金屬鍛件疲勞強(qiáng)度參數(shù)

金屬鍛件殘余應(yīng)力的檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視，工業(yè)上檢測(cè)殘余應(yīng)力的方法有很多種，但是本文研究的檢測(cè)方法是基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，通過(guò)設(shè)定金屬鍛件疲勞強(qiáng)度參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的檢測(cè)。

金屬鍛件出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象是指金屬鍛件在循環(huán)應(yīng)力作用下，在某些位置出現(xiàn)永久性損傷，無(wú)限循環(huán)后損傷處發(fā)生斷裂的過(guò)程。

圖1 金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)裝置框架圖

當(dāng)金屬鍛件的結(jié)構(gòu)多次受到載荷作用，殘余應(yīng)力值始終低于金屬鍛件本身的強(qiáng)度極限，在這種情況下，金屬鍛件的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，檢測(cè)金屬鍛件的殘余應(yīng)力可以延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命[2]，具體的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)裝置框架圖見(jiàn)圖1。

1.2 計(jì)算金屬鍛件疲勞強(qiáng)度

金屬鍛件疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)，在壽命計(jì)算過(guò)程中，分為無(wú)限壽命計(jì)算和有限壽命計(jì)算，由于金屬鍛件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力傳遞的不平衡現(xiàn)象，有的位置應(yīng)力集中，有的位置應(yīng)力分散，與此同時(shí)，金屬鍛件的殘損處還會(huì)出現(xiàn)很多小的裂紋，在外力不斷循環(huán)作用下，裂紋會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，金屬鍛件能夠傳遞應(yīng)力部分越來(lái)越小，直到剩余金屬鍛件不能傳遞負(fù)載，即殘余應(yīng)力為0時(shí)，金屬鍛件就會(huì)完全被損壞。

金屬鍛件出現(xiàn)疲勞時(shí)產(chǎn)生的裂紋會(huì)給人們帶來(lái)很大的災(zāi)難，然而，金屬疲勞現(xiàn)象發(fā)生也有好處，利用金屬鍛件的疲勞特性可以制造殘余應(yīng)力斷料機(jī)，對(duì)不同性能的金屬材料的非金屬材料在某一位置發(fā)生疲勞斷裂，從而對(duì)材料進(jìn)行切割，切割過(guò)程所消耗的時(shí)間非常短，一般只需要2秒以下的時(shí)間就足夠，一般情況下越是難以切割的金屬材料，人們?cè)叫枰@種加工技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)工業(yè)部門(mén)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，普通金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度為40%～50%，在延長(zhǎng)金屬鍛件使用壽命上仍然具有很大的發(fā)展空間，在磁測(cè)法應(yīng)用到金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)中，可以直接計(jì)算出金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度，再結(jié)合金屬鍛件的屈服強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)以及金屬鍛件尺寸大小和表面質(zhì)量來(lái)研究基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法。

1.3 確定金屬鍛件的屈服強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)

金屬鍛件的屈服強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)影響其疲勞強(qiáng)度。通常情況下，金屬鍛件的屈服強(qiáng)度越低，它的疲勞強(qiáng)度就越低，因此，想要降低金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度就要先降低其屈服強(qiáng)度，對(duì)于同一種金屬鍛件來(lái)說(shuō)，晶粒組織越粗屈服強(qiáng)度越低。

當(dāng)金屬鍛件發(fā)生疲勞斷裂時(shí)，通常是微觀裂紋在重復(fù)載荷作用下不斷擴(kuò)展直至鍛件裂紋完全損壞，當(dāng)金屬鍛件受載時(shí)，如果鍛件的圓角處、凹槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)殘余應(yīng)力集中敏感程度與金屬鍛件材料本身有關(guān)，通常采用殘余應(yīng)力集中系數(shù)來(lái)分析應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，金屬鍛件的屈服強(qiáng)度和應(yīng)力集中系數(shù)越高，對(duì)應(yīng)力集中越敏感，其疲勞強(qiáng)度越大。

1.4 確定金屬鍛件尺寸大小和表面質(zhì)量

金屬鍛件尺寸大小和表面狀態(tài)對(duì)其疲勞強(qiáng)度也有一定影響。可以用金屬鍛件尺寸系數(shù)來(lái)表示金屬鍛件尺寸的大小對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，當(dāng)一切條件相同時(shí)，金屬鍛件尺寸越大，對(duì)其疲勞強(qiáng)度影響越明顯，主要原因就是金屬鍛件的晶粒比較粗，發(fā)生損壞的概率大；還可以用表面狀態(tài)系數(shù)來(lái)表示金屬斷件表面質(zhì)量對(duì)其疲勞強(qiáng)度的影響，加工后的金屬鍛件表面狀態(tài)的敏感程度很低，因此，金屬鍛件表面越粗糙，其表面狀態(tài)系數(shù)越低，所以給金屬鍛件提升加工質(zhì)量，能有效提高疲勞強(qiáng)度。

1.5 實(shí)現(xiàn)多因素檢測(cè)

首先，工業(yè)中最常用的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法是在疲勞試驗(yàn)機(jī)上模擬工作載荷檢測(cè)疲勞（斷裂）強(qiáng)度。疲勞強(qiáng)度是金屬鍛件性能指標(biāo)中比較常見(jiàn)的檢測(cè)項(xiàng)目，韌性好的金屬鍛件不容易發(fā)生脆斷破壞，尤其是溫度特別低的時(shí)候，金屬鍛件的韌性是非常重要的。在交變應(yīng)力條件下，疲勞強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)于殘余應(yīng)力的檢測(cè)是非常重要的，如果金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度低，就很容易出現(xiàn)疲勞斷裂，縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生更危險(xiǎn)的災(zāi)難性事故。

其次，外形合理化可以有效提高金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度。金屬鍛件外形變化趨勢(shì)越激烈，其疲勞強(qiáng)度就越大，工業(yè)上一般采用改變金屬鍛件外形尺寸的方法來(lái)減小疲勞強(qiáng)度，如果金屬鍛件的橫截面積比較大，就會(huì)降低疲勞強(qiáng)度又不會(huì)影響金屬鍛件的使用壽命。設(shè)計(jì)金屬鍛件外形時(shí)，盡量避免帶有尖角的槽，在金屬鍛件的外形尺寸發(fā)生變化的位置，如果需要設(shè)計(jì)直角時(shí)，可以選擇直徑大的應(yīng)力集中區(qū)，這樣檢測(cè)的殘余應(yīng)力會(huì)比較準(zhǔn)確，可以有效延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命。在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)中，要根據(jù)實(shí)際情況避免不利因素影響金屬的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)材料選擇同一種金屬鍛件，采用熱處理和加載處理工藝對(duì)金屬鍛件進(jìn)行試樣處理，設(shè)置熱處理溫度為500攝氏度，溫度保持恒定的時(shí)間分別為0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，實(shí)驗(yàn)在不受其他外界環(huán)境因素影響的條件下進(jìn)行，分別采用基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法和傳統(tǒng)殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，對(duì)金屬鍛件進(jìn)行不同溫度恒定時(shí)間的熱處理，記錄金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)，金屬鍛件疲勞強(qiáng)度與溫度恒定時(shí)間關(guān)系圖見(jiàn)圖2。

圖2 金屬鍛件疲勞強(qiáng)度與溫度恒定時(shí)間關(guān)系圖

根據(jù)采用不同檢測(cè)方法得到的金屬鍛件疲勞強(qiáng)度與溫度恒定時(shí)間關(guān)系圖可知，溫度恒定的時(shí)間不同，兩種方法檢測(cè)出來(lái)的金屬鍛件疲勞程度有很大差別，很明顯，采用本文基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)的金屬鍛件疲勞強(qiáng)度都在30%以下，而傳統(tǒng)殘余應(yīng)力檢測(cè)方法檢測(cè)的金屬鍛件疲勞強(qiáng)度很高，因此可以得出采用基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法能夠降低金屬鍛件的疲勞強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)金屬鍛件使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)發(fā)展的不斷進(jìn)步，金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法需要進(jìn)一步更新，本文磁測(cè)法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用研究對(duì)延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命具有重要意義，為了延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命，強(qiáng)化金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法成為必然，雖然我國(guó)的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法已經(jīng)取得一番成就，但是距離發(fā)達(dá)國(guó)家金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法的發(fā)展還存在一定差距，突破原有的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法，推廣采用基于磁測(cè)法的金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)方法。本文的磁測(cè)法在金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用對(duì)延長(zhǎng)金屬鍛件的使用壽命研究具有支撐作用。希望本文的研究能為金屬鍛件殘余應(yīng)力檢測(cè)提供可靠的方法依據(jù)，促進(jìn)工業(yè)的發(fā)展。