脉冲磁场处理对SKD11模具钢残余拉应力的影响机理分析

罗　丞　李正龙　曹洪志　张祥林

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074

脉冲磁场处理对SKD11模具钢残余拉应力的影响机理分析

罗丞李正龙曹洪志张祥林

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074

摘要：为了探究脉冲磁场处理对SKD11钢残余应力的影响机理，设计了单因素试验并得到了磁场强度、磁场频率、磁场方向以及磁处理时间等参数单独变化时试样残余拉应力的变化结果。同时从应力的本质入手，将磁处理过程划分为位错塞积开动和位错增殖两个阶段来分析，对试验现象做出了全面解释，推导出了在第一阶段中使位错塞积群克服点阵阻力所需的临界磁场强度Hp的公式，以及在第二阶段中使单个弗兰克-瑞德位错源增殖所需的临界磁场强度Hc的公式和使单个位错克服点阵阻力所需的临界磁场强度的公式。最后，以试验结果和理论推导为依据，建立了脉冲磁场处理在冲压模具的应用中需要遵循的原则。

关键词：SKD11钢；脉冲磁场处理；残余拉应力；位错；冲压模具

0引言

高碳高铬钢SKD11是国内精冲企业使用较多的冲压模具钢材，冲压模具承受着高接触压力、剧烈摩擦，以及循环应力与应变，极易产生疲劳失效，导致模具寿命缩短。金属疲劳失效的重要原因之一是金属内部位错的增殖与塞积，宏观上表现为残余拉应力的集中与幅值提高[1]。脉冲磁场处理作为热处理的替代技术，已被应用于刀具的改性，但该技术在冲压模具上的应用鲜有报道，有鉴于此，笔者开展了相关研究。

目前，对于磁处理使铁磁性金属材料内部残余应力降低的原因，大部分学者认为是磁致伸缩导致应力松弛和磁场能量增强了位错的运动能力，这两种理论均不能很好地解释全部试验现象，且理论分析也多停留在定性的阶段。本文设计单因素试验来研究磁处理的机理，在得到相应试验结果后，从应力微观本质——位错的角度全面地分析了试验结果，首次将磁处理过程分为两个阶段，并且对磁处理的理论进行了进一步的完善。建立了脉冲磁场处理在冲压模具的应用中需要遵循的原则。

1试验准备

1.1试样制备

为了在试样内部产生残余拉应力，需要对试样进行单轴拉伸，针对SKD11板材，参照金属材料GBT228-2002拉伸试样国家标准[2]，设计了尺寸如图1所示的拉伸试样。采用线切割加工外形轮廓，对表面进行磨削加工，控制其表面粗糙度Ra为0.8～1 μm，磨削后试样的厚度为1.8～2.0 mm。

(a)试样尺寸(b)实际试样图1　拉伸试样尺寸及实际试样

磨削后试样表面有100 MPa左右的压应力，这不利于后续拉伸试验中残余拉应力的产生。因此，需对试样进行去应力退火，退火后对试样进行单轴拉伸，拉伸量为2 mm，拉伸后会在试样内产生100～200 MPa且方向沿试样轴向的单向拉应力。

1.2试验环境

试样性能的检测主要涉及到残余应力的测量。试样的磁处理位置见图2，磁化器实物如图3所示。

图2　磁处理试样位置示意图

图3　磁化器实物图

X射线衍射法是最常用的直接测量残余应力的方法，具有较高的测量精度，不破坏材料且不受材料尺寸限制，目前被广泛采用。本文测量残余应力采用X射线衍射法。试验采用的残余应力测试仪为日本岛津公司生产的XRD-7000S型残余应力测试仪。

2单因素试验

2.1磁场强度单因素试验

2.1.1试验结果

本单因素试验中，固定磁场频率、磁场方向、磁场作用时间不变，只改变磁场强度，对试样进行磁处理，并测得处理前后试样的表面残余拉应力值。参考文献[3]，取磁场频率f=1 Hz，磁场方向与主应力方向的夹角α=90°，磁处理作用时间t=60 s，磁场强度B的取值为1.3 T、0.8 T、0.5 T、0.2 T、0.06 T。磁处理的结果如表1所示。

表1　变场强试验磁处理前后残余应力值

2.1.2试验结果分析

磁场强度对残余拉应力降幅的影响如图4所示，磁场强度为0.2 T、0.06 T时，残余拉应力几乎没有变化；磁场强度为0.5 T时，残余拉应力的平均降幅约为6%；磁场强度为0.8 T时，残余拉应力的平均降幅约为10%；磁场强度为1.3 T时，残余拉应力的平均降幅突然升高，约为40%。说明，SKD11钢中残余拉应力的降幅并不是随着磁场强度线性变化的，脉冲磁场降低残余拉应力，存在一个磁场强度的阈值，磁场强度低于此阈值时，脉冲磁场对残余拉应力的降低可以忽略，磁场强度高于此值时，脉冲磁场对残余拉应力的降低才得以启动。

图4　磁场强度对拉应力降幅的影响曲线

2.2磁场频率单因素试验

2.2.1试验结果

本单因素试验中，固定磁场强度、磁场方向、磁场作用时间不变，只改变磁场频率，对试样进行磁处理，并测得处理前后试样表面的残余拉应力值。

取磁场强度B=1.3 T，磁场方向与主应力方向的夹角α=90°，磁处理作用时间t=60 s。磁场频率f的取值为1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz。磁处理的结果如表2所示。

表2　变频率试验磁处理前后残余应力值

2.2.2试验结果分析

由表2可知，脉冲磁场频率在1～15 Hz范围内，频率这一因素对残余拉应力的降幅的影响不显著。

2.3磁场方向与拉应力方向间夹角单因素试验

2.3.1试验结果

本单因素试验中，固定磁场强度、磁场频率、磁场作用时间不变，只改变磁场方向与拉应力方向间夹角α，对试样进行磁处理，并测得处理前后试样表面的残余拉应力值。

取磁场强度B=1.3 T，磁场频率f=1 Hz，磁处理作用时间t=60 s。本文只选取具有代表性的0°与90°角进行定性研究。磁处理的结果如表3所示。

2.3.2试验结果分析

磁场与拉应力方向间的夹角α为90°，即磁场方向垂直于拉应力方向时，拉应力的平均降幅为42.5%；α为0°，即磁场方向平行于拉应力方向时，拉应力的平均降幅较小，为7.56%。α为90°时拉应力的降幅远大于α为0°时拉应力的降幅。

2.4磁场作用时长单因素试验

2.4.1试验结果

本单因素试验中，固定磁场强度、磁场频率、磁场方向与拉应力方向间夹角α不变，只改变磁场作用时间，对试样进行磁处理，并测得处理前后，试样表面的残余拉应力值。

取磁场强度B=1.3 T，磁场频率f=1 Hz，α=90°。磁处理的时长t的取值为5 s、30 s、60 s、120 s、600 s。磁处理的结果如表4所示。

2.4.2试验结果分析

磁处理时长对拉应力降幅的影响结果如图5所示，磁处理时长为5 s时，残余拉应力平均降幅约为10%；磁处理时长为30 s时，残余拉应力平均降幅约为30%；磁处理时长为60 s、120 s时，残余拉应力平均降幅约为40%；磁场时长为600 s时，残余拉应力平均降幅约为20%。

表4　变磁处理时长试验磁处理前后残余应力值

图5　磁处理时长对拉应力降幅的影响结果

SKD11钢中残余拉应力的降幅并不是随着磁处理时长的增加而单调增大的，随着磁处理时长的增加，残余拉应力的降幅会出现一个极大值，过了此极大值点，拉应力的降幅会减小。

3试验结果的微观本质分析

3.1材料应力的微观本质

位错在晶体中的存在，使其周围原子偏离平衡位置，而导致点阵畸变和弹性应力场的产生。一般而言，晶体内的位错密度越大，晶体内应力的绝对值越大；晶体内位错集中的地方，也往往伴随着应力的集中。单因素试验中，试样材料的残余拉应力与微观硬度的大小发生变化，从微观本质上讲，是材料内部位错运动与增殖的结果。

3.2磁场作用下的位错受力分析

晶体中位错产生的应力场通过磁弹性耦合和磁化而相互作用。畴壁能依赖于应力，在位错的应力场中畴壁能随畴壁与位错的距离和相对取向而变，因而畴壁受力pw。另一方面，畴壁中磁化矢量的方向与两侧磁畴不同，随坐标而转动，自发形变亦随之而变，在畴壁中及畴壁周围产生应力场。位错处于畴壁的应力场σM中受到的作用力pd与畴壁在位错场中受到的作用力pw恰为作用力与反作用力，即pw=-pd，有[4]

pw=-pd=-∫dl×σMb

(1)

式中，b为伯格斯矢量；σM为畴壁产生的应力张量；dl为位错线元。

SKD11钢中磁畴以180°畴为主，为了简化分析，本文只考虑刃型位错的应力场与畴壁应力场的相互作用，简化后的畴壁与位错相互作用模型示意图见图6。由式(1)可粗略地认为，磁化稳定时，位错线穿过畴壁的刃型位错受到外磁场H的作用而获得的切应力为

τH=pdcosβ=2μ0HMslcosβ

(2)

式中，μ0为真空磁导率；Ms为饱和磁化矢量；l为位错线的长度；β为位错伯格斯矢量b与外加磁场H的夹角的补角(H与pd平行)。

图6　畴壁与刃型位错的相互作用模型

3.3磁场作用下位错运动与增殖的阶段性分析

(1)第一阶段——位错塞积群的开动。图7为位错塞积群模型示意图。假设障碍(晶界)只施加短程作用力，且只和位错群中领先的位错相互作用。设位错塞积群对晶界作用的合力大小为τa，则领先位错受到方向相反、大小相等的作用力τ。设在外磁场作用下，单个位错受到的力为τH0，位错塞积群中有n个位错，则领先位错和晶界受到的作用力为

τ=τa=nτH0=2nμ0HMslcosβ

(3)

图7　位错塞积群模型示意图

由式(3)可知，当施加一个外加磁场时，若材料中存在位错塞积群，则晶界与塞积群中“紧贴”晶界(障碍)的领先位错的受力相对于没有塞积群时放大了n倍。

位错要在晶体中滑移，其受到的切应力必须克服晶体中的点阵阻力，计算克服点阵阻力的临界切应力的常用模型为佩尔斯-纳巴罗模型[5]，根据该模型求得的临界切应力为

(4)

式中，G为该材料的切变模量；γ为该材料的泊松比；a为晶体与相邻晶面的间距。

由式(3)和式(4)可粗略地计算出使位错塞积群开动的临界外磁场的强度，该临界场强Hp即为磁场强度单因素试验中提到的阈值:

(5)

由式(5)可知，位错塞积群的存在大大降低了使位错开动的临界外磁场的大小，当外磁场强度大于临界场强时，位错塞积开动，位错解塞，从而使位错在晶体中分布得更加均匀，位错的缠结减少，虽然此时晶体中位错的平均密度并未降低，但是晶界及障碍处的局部位错密度大大降低。局部位错密度的大大降低，在宏观上表现为残余应力的降低。

晶体中有众多的位错塞积群，不同位错塞积群所包含位错的数目n是不一样的，n越小，塞积群开动需要的临界外磁场的强度就越大。故外加磁场的场强越大，磁场所能开动的塞积群就越多，磁处理后晶体内的位错就分布得越均匀，应力下降的幅值就越大，这点在磁场强度单因素试验中得到了证实。

由式(2)和式(3)可知，位错伯格斯矢量b与外加磁场的夹角β对位错所受的作用力有很大的影响，当β=90°时，作用力的理论值为0，此时磁处理后应力的降幅很小，β=0°时，作用力最大，此时磁处理后应力的降幅最大。β=90°和β=0°分别对应于磁场方向单因素试验中α=0°和α=90°。

(2)第二阶段——均化分布后位错的增殖。拉伸试样中位错塞积群的开动和位错的均化分布完成以后，如果继续施加外加磁场，则由式(2)，在外磁场的作用下，位错将继续受到切应力τH的作用，若τH足够大，则会发生位错的增殖。

目前引用最广的一种位错增殖机制是弗兰克-瑞德源[6]：设想晶体中有一段位错线两端被钉住，在应力作用下，位错线由于滑移而变弯曲，而位错所受作用力恒与位错线相垂直，位错的发展情况如图8所示，当弯曲的线段相互靠近时，可以互相抵消，形成一闭合的位错圈和一段短线，这样的过程可以反复进行下去，源源不断地产生新的位错圈，当位错圈和晶体表面相截，就形成了台阶，这就是滑移线。

图8　运转过程中的弗兰克-瑞德源

使弗兰克-瑞德源动作所需的临界切应力τc决定于运转中位错线的最大曲率，当位错线呈半圆形时，曲率为最大值，此时可求出

(6)

当磁场对位错的作用力τH=τc时，则在磁场的作用下，位错将发生过增殖，结合式(2)与式(6)可得促使弗兰克-瑞德位错源增殖的临界场强：

(7)

由于此阶段位错的塞积已经被清除，位错已均化分布，故此时，考虑克服点阵阻力滑移所需的临界场强时，应针对单个位错，即将式(5)中等式右边分母中的n去掉，从而得到使单个位错克服点阵阻力而滑移所需的临界场强为

(8)

综合以上分析，外加磁场对SKD11钢拉伸试样中位错的作用，可以被划分为两个阶段。首先，若外加磁场强度大于使位错塞积群开动所需的临界场强Hp，则发生位错塞积的开动以及位错的均化分布，从而使局部位错密度大大降低，使得残余拉应力和硬度降低；当位错的均化分布完成以后，若外加磁场强度大于使位错源增殖所需的临界场强Hc，则在外加磁场继续作用下，会发生位错的增殖，从而使位错密度升高，此时材料中的残余拉应力和硬度值又会略有升高。

若铁磁性材料试样内部位错的初始态已是均化分布的状态(去应力退火态)，则对该试样进行磁处理时，当外加磁场强度大于使位错源增殖所需的临界场强时，则位错增殖，位错密度升高。该磁处理过程无第一阶段而只有第二阶段，此时试样的硬度和内部的残余应力会直接升高。

4结论

(2)磁场与应力方向间夹角对磁处理效果有较大影响。

(3)脉冲磁场的频率对磁处理效果影响不大，从节能和降低设备成本的角度来看，最好采用1～5Hz低频脉冲磁场。

(4)磁处理的时间并不是越长越好，磁处理时间过长，反而会导致应力降幅的减小，对于特定材料和特定磁场工艺参数组合，最合适的磁处理时间不一样，应该通过试验来确定最适合的磁处理时长。

参考文献：

[1]陈传尧．疲劳与断裂[M]．武汉：华中科技大学出版社，2002．

[2]中国国家标准化管理委员会.GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法[S]．北京：中国标准出版社，2002．

[3]唐非，鹿安理，方慧珍，等.一种降低残余应力的新方法——脉冲磁处理法[J].焊接学报，2000，21(2)：29-31.

TangFei,LuAnli,FangHuizhen,etal.ANewResidualStressReducingMethod——PulsedMagneticTreatment[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2000，21(2)：29-31.

[4]冯端．金属物理学(第四卷)[M]．北京：科学出版社，1998．

[5]冯端．金属物理学(第一卷)[M]．北京：科学出版社，1998．

[6]胡庚祥，蔡珣，戎咏华．材料科学基础[M]．上海：上海交通大学出版社，2006．

(编辑王艳丽)

Influence Mechanism of Residual Tensile Stress in SKD11 Steel Caused by Pulse Magnetic Field Treatment

Luo ChengLi ZhenglongCao HongzhiZhang Xianglin

State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

Abstract:Sevel single factor experiments were designed to explore the influence mechanism of residual tensile stress in the SKD11 steel by PMT.When the magnetic field strength, the magnetic field frequency, magnetic field direction and the processing time were varied individually,the changes of residual tensile stress in the sample were obtained.All experimental phenomena were explained from the angle of dislocation-nature of the stress. Process of PMT was divided into two stages in the explanation. The first stage was un-piling of the dislocation pile-up group and the second was multiplication of dislocation. Formula of Hp was deduced and Hp was the critical magnetic field strength which started the un-piling of dislocation pile-up group in the first stage. Formula of Hc and were deduced. In the second stage,Hc was the critical magnetic field strength which started multiplication of a single Frank-Read dislocation source and was the critical magnetic field strength which made a single dislocation overcome the lattice resistance. The principals of PMT in the applications to stamping die were established based on the experiments and the theory.

Key word:SKD11 steel; pulse magnetic field treatment(PMT); residual tensile stress; dislocation; stamping die

收稿日期：2015-08-18

基金项目：湖北省重大专项(2015BAA015)；国家科技重大专项(2009ZX04014-073-04)

中图分类号：TG76

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.11.021

作者简介：罗丞，男,1994年生。华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生。研究方向为精冲模具寿命及精冲零件塌角。李正龙，男，1988年生。华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生。曹洪志，男，1990年生。华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生。张祥林，男，1963年生。华中科技大学材料科学与工程学院教授。