羅家豪, 陳重毅, 宿鵬吉, 劉寶志, 麻永林, 邢淑清
(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金(稀土)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010;2. 包頭市威豐稀土電磁材料股份有限公司, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)
冷軋鋼帶經(jīng)過冷軋工序后必然會產(chǎn)生不均勻塑性變形與內(nèi)部位錯增殖,這會導(dǎo)致在鋼帶內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[1],這也是產(chǎn)品在加工時產(chǎn)生變形和開裂的主要原因,嚴(yán)重影響產(chǎn)品的服役壽命;其次還會影響產(chǎn)品幾何尺寸的穩(wěn)定性,增加產(chǎn)品在服役期間的不安全系數(shù)。為了確保產(chǎn)品的安全性及質(zhì)量,充分發(fā)揮材料的功能和作用,有效去除產(chǎn)品內(nèi)部的殘余應(yīng)力具有重大意義[2]。目前,消除或降低殘余應(yīng)力的方法主要有去應(yīng)力退火處理、自然時效、振動時效、超聲波處理、錘擊法、機(jī)械拉伸法等[3-8],工業(yè)生產(chǎn)中使用最普遍的是去應(yīng)力退火處理,即將工件置于高溫環(huán)境中,保溫一定時間,然后緩慢冷卻以達(dá)到降低材料殘余應(yīng)力的效果,保溫時間及溫度根據(jù)工件尺寸及性能要求而定。該方法能耗大,熱處理時間長,成本高,且很容易使工件產(chǎn)生不利的組織轉(zhuǎn)變,大大降低工件的力學(xué)性能;同時其消除應(yīng)力的效果并不理想,只有10%~35%[9-10]。
磁場是一種無接觸、綠色、高能量、多效應(yīng)的物理場。伴隨著“材料電磁加工”方向研究的深入開展,磁場在材料加工領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸引起了研究者們的重視[11-12]。Prasad等[13]研究了脈沖磁場對冷軋鋼帶硬度的影響,發(fā)現(xiàn)冷軋鋼帶的硬度隨脈沖磁場處理時間的延長呈下降趨勢。宋燕利[14]研究了低頻交變脈沖磁場下QSTE420鋼力學(xué)性能的變化,發(fā)現(xiàn)經(jīng)磁場處理后材料中的內(nèi)應(yīng)力有所下降,且具有更高的伸長率,但其抗拉強(qiáng)度和硬度有所下降。李桂榮等[15]對TC4鈦合金、7055鋁合金、2024鋁合金進(jìn)行了強(qiáng)脈沖磁場處理,研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場能夠誘發(fā)合金相變,而且能夠減小材料因加工硬化引起的殘余應(yīng)力。羅丞等[16]研究了脈沖磁場處理對SKD11模具鋼殘余拉應(yīng)力的影響,通過單因素試驗得到了最佳的磁場調(diào)控工藝參數(shù),殘余拉應(yīng)力下降40%左右,并通過位錯塞積開動理論解釋了應(yīng)力下降的原因。
綜上可知,施加一定形式的脈沖磁場可通過促使材料內(nèi)部位錯運動來消除宏觀殘余應(yīng)力,但縱觀國內(nèi)外關(guān)于脈沖磁場去除殘余應(yīng)力的研究可知,所使用的都是中頻甚至高頻強(qiáng)脈沖磁場,這類磁場需要很大的脈沖電源設(shè)備和電流,不具備安全性,更不具備工廠普適性。因此,尋找一種操作方便、靈活、高效去除殘余應(yīng)力方式成為一種必然趨勢。結(jié)合去應(yīng)力熱處理和脈沖磁場處理的優(yōu)缺點,提出了低溫、低強(qiáng)度脈沖磁場、短時高效的磁-熱耦合處理去除殘余應(yīng)力的工藝。
冷軋鋼帶中的殘余應(yīng)力與其內(nèi)部位錯密度變化有密切聯(lián)系。不均勻的塑性變形會引起鋼帶內(nèi)部位錯增殖,位錯密度變大會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[17]。基于此,建立材料處理前后殘余應(yīng)力變化與位錯密度變化之間的聯(lián)系,進(jìn)一步完善低溫、短時、低強(qiáng)度脈沖磁場處理殘余應(yīng)力的理論,從而為磁-熱耦合消除殘余應(yīng)力的新工藝提供思路和數(shù)據(jù)參考。
試驗材料為某廠二次冷軋后厚度為0.26 mm的普通取向硅鋼,其成分如表1所示。將材料剪切成10 mm×20 mm規(guī)格的試樣,長度方向為軋向。采用自主研發(fā)的高溫管式磁場退火爐進(jìn)行磁-熱耦合處理。圖1為自主研發(fā)的高溫管式磁場退火爐示意圖。將試樣垂直置于石英管中,使試樣整個面垂直于磁場方向。磁-熱耦合處理過程中所加載的電流為單邊矩形脈沖電流,電壓為100 V,頻率為40 Hz,占空比為60%。表2 為具體的磁-熱耦合處理試驗方案。
表1 試驗取向硅鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
圖1 高溫管式磁場退火爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of high temperature tubular magnetic field annealing furnace
表2 磁-熱耦合處理試驗方案
采用水洗的方法清除試樣表面殘留的鐵粉等雜質(zhì),之后用15%的NaOH溶液進(jìn)行皂化處理[18],去除試樣表面殘留的軋制油,最后用無水乙醇清洗、吹干備用。利用X射線應(yīng)力分析儀(Xstress3000G3)測量試樣軋向磁-熱耦合處理前后的殘余應(yīng)力,通過X射線衍射儀(XRD)分析試樣的衍射峰半峰全寬,求得試樣的位錯密度,建立宏觀殘余應(yīng)力與微觀位錯密度之間的聯(lián)系。
X射線應(yīng)力分析儀與XRD都是基于材料彈性力學(xué)和X射線衍射理論來得到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法,但由于計算原理不同,其本質(zhì)也不相同。X射線應(yīng)力分析儀是通過測量衍射峰峰位變化,即與理論晶體結(jié)構(gòu)相比所得到的衍射角之間的不同,并以布拉格方程為基礎(chǔ)進(jìn)行計算并得出殘余應(yīng)力數(shù)值。而XRD測量材料位錯密度是通過分析衍射圖譜中衍射峰峰寬的變化,以謝樂公式為基礎(chǔ)計算得到。
按照試驗方案對試驗取向硅鋼進(jìn)行不同處理后的殘余應(yīng)力變化如圖2所示,處理后試樣的殘余應(yīng)力相較于處理前都有一定程度的降低。其中處理效果最好的一組試驗是第6組,試樣軋向初始?xì)堄鄳?yīng)力為-106.6 MPa,磁-熱耦合處理后試樣的殘余應(yīng)力為-47.4 MPa,數(shù)值降低了59.2 MPa,降幅為55.5%,此時的處理工藝為處理時間180 s、處理溫度400 ℃、峰值電流180 A。
圖2 不同工藝處理前后試驗取向硅鋼的殘余應(yīng)力分析(a)只加熱場; (b)磁-熱耦合; (c)只加磁場Fig.2 Residual stress analysis of the tested oriented silicon steel before and after treatment by different processes(a) only applied with thermal filed; (b) magnetic-thermal coupling; (c) only applied with magnetic filed
試驗方案可以分成3部分進(jìn)行對比分析,1、2、3組試驗是只加熱場不加磁場,處理時間180 s,只改變溫度,其殘余應(yīng)力變化如圖2(a)所示,可以看出隨著處理溫度的升高,去除殘余應(yīng)力的效果越來越好,最終在400 ℃達(dá)到了16.7%的降幅效果。7、8、9組試驗是只加磁場不加熱場,處理時間180 s,室溫下通過改變峰值電流(即磁場強(qiáng)度)從而改變磁場大小,其殘余應(yīng)力變化如圖2(c)所示,可以看出隨著峰值電流的提高,去除殘余應(yīng)力的效率加快,效果變好,最終在峰值電流為180 A時取得20.6%的去除效果。4、5、6組試驗是磁-熱耦合處理試驗,處理時間為180 s,在400 ℃的溫度下通過改變峰值電流調(diào)整磁場大小,其殘余應(yīng)力變化如圖2(b)所示,隨著峰值電流的增大,去除殘余應(yīng)力的效果增強(qiáng),最終可以達(dá)到去除殘余應(yīng)力55.5% 的極佳效果。
通過圖2可以看出,單純的加熱場和加磁場都可以有效地去除殘余應(yīng)力,但效果較一般,在短時間只能去除20%左右的殘余應(yīng)力。而磁-熱耦合處理可以在短時間內(nèi)去除殘余應(yīng)力最多55.5%,非常高效。
利用XRD測得各試驗方案處理前后試樣的衍射圖譜,采用MDI Jade6.5軟件對所得到的XRD圖譜進(jìn)行處理,提取試樣處理前后的衍射峰半峰全寬(FWHM)。其原理是采用積分法求取半峰全寬,通過做峰底的切線,測量峰面積和峰高度,然后用峰面積除以峰高度得到峰寬。根據(jù) Dunn等的研究可知,位錯密度和半峰全寬之間的關(guān)系[19-20]可以表示為:
(1)
式中:衍射峰半峰全寬β的大小由XRD圖譜得出,取向硅鋼XRD圖譜為標(biāo)準(zhǔn)的鐵素體模型,故取其柏氏矢量b的模約為0.248 nm。計算出各晶面的位錯密度,見圖3。因為XRD圖譜中(220)晶面處雜峰太多,導(dǎo)致誤差太大,所以提取穩(wěn)定的(110)、(200)、(211)3組晶面進(jìn)行對比分析。
圖3 不同工藝處理前后試驗取向硅鋼各晶面的位錯密度 Fig.3 Dislocation density of each crystal plane of the tested oriented silicon steel before and after treatment by different processes(a) (110); (b) (200); (c) (211)
如圖3所示,按照試驗方案處理后,各試樣各個晶面的位錯密度都有一定程度的下降,由于各個晶面的位錯密度分布不均勻,無法統(tǒng)一分析其下降趨勢,無法與殘余應(yīng)力下降趨勢緊密聯(lián)合起來,故求3個晶面的平均位錯密度降幅與殘余應(yīng)力降幅對比,建立宏觀殘余應(yīng)力變化與微觀位錯密度之間的聯(lián)系,如圖4所示。
圖4 不同工藝處理后試驗取向硅鋼平均位錯密度降幅與殘余應(yīng)力降幅Fig.4 Decrease magnitude of average dislocation density and residual stress of the tested oriented silicon steel after treatment by different processes
從圖4可以看出,殘余應(yīng)力降幅和平均位錯密度降幅的變化趨勢基本一致,即殘余應(yīng)力降幅與總的位錯密度降幅一致。這說明材料宏觀殘余應(yīng)力的降低與微觀位錯運動二者之間有著必然的聯(lián)系,對冷軋硅鋼進(jìn)行磁-熱耦合處理就是通過作用在微觀區(qū)域,促使位錯運動,減小位錯密度從而釋放殘余應(yīng)力。
鋼帶經(jīng)冷軋工序后會產(chǎn)生劇烈的不均勻塑性變形,在此過程中,材料受到外界壓力的作用產(chǎn)生極大的變形功,其中大部分能量會轉(zhuǎn)變成熱能散發(fā)出去,10%左右的能量則會以畸變能的形式存留在晶體內(nèi)部,這會引起材料內(nèi)部大量原子或原子群定向地一次又一次偏離其穩(wěn)態(tài)位置躍遷到亞穩(wěn)態(tài)位置,造成大量原子或原子群的不規(guī)則排列,從而導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生晶格畸變,形成分布不均勻、密度較大的位錯缺陷[17],這是鋼帶內(nèi)部產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的重要原因[21]。由于工件在冷軋過程中晶粒被拉長、壓扁、破碎,位錯線附近原子發(fā)生畸變,導(dǎo)致工件內(nèi)位錯受到極強(qiáng)的釘扎作用,不易自發(fā)沿著位錯線進(jìn)行移動,這不利于殘余應(yīng)力的降低或者均勻化[15]。
因此可以認(rèn)為,去除殘余應(yīng)力的本質(zhì)就是通過外場作用于材料內(nèi)部,給金屬原子足夠的能量,使其脫離亞穩(wěn)態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)位置,促使材料內(nèi)部可動的微觀缺陷(位錯)開動,從而達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的效果。
建立一個簡單的模型來分析磁-熱耦合處理消除殘余應(yīng)力的作用機(jī)理,冷軋后的材料內(nèi)部必然存在大量的位錯缺陷,首先作出一個簡單假設(shè),如圖5所示,提取一條位錯線的一部分,其上3個原子受到畸變能的作用處在一個亞穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行自振動。黑色代表滑移面,曲線是位錯線,圓圈是金屬原子,并設(shè)原子為剛性小球,在亞穩(wěn)狀態(tài)還有受到其他外場作用時做簡單的簡諧振動。由位錯動力學(xué)[15]可知,只有當(dāng)位錯所受的有效應(yīng)力大于其所受的釘扎阻力時位錯運動才能順利開動。而外力和熱激活是促進(jìn)位錯運動的決定性因素。
圖5 殘余應(yīng)力與位錯運動關(guān)系簡易模型(箭頭表示磁場方向)(a)只加熱場;(b)只加磁場;(c)磁-熱耦合處理Fig.5 Simple models for relationship between residual stress and dislocation moving(arrow indicating the direction of magnetic field)(a) only applied with thermal filed; (b) only applied with magnetic filed; (c) magnetic-thermal coupling treatment
當(dāng)只加熱場進(jìn)行處理時,初期階段,處在殘余應(yīng)力作用范圍內(nèi)的亞穩(wěn)態(tài)原子受到熱激活的作用,熱振動頻率加快,振幅加大,原子的不穩(wěn)定性增強(qiáng),初步有了躍遷趨勢。中期階段,一部分極不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)原子獲得足夠能量和驅(qū)動力,克服了原子畸變阻力,如圖5(a)最上端的原子,成功由亞穩(wěn)態(tài)位置躍遷至穩(wěn)定態(tài)位置,其余原子因溫度低、時間短等原因無法成功躍遷,因此無法促進(jìn)位錯大規(guī)模運動。后期階段只有一小部分位錯運動,在復(fù)雜的位錯運動過程中,異號位錯合并湮滅,一些斷裂位錯交互作用重新生成新的完整閉環(huán)位錯,位錯密度降低,局部區(qū)域殘余應(yīng)力得到松弛,宏觀殘余應(yīng)力得到消減。
當(dāng)只施加低強(qiáng)度脈沖磁場處理時,初期階段,工件在磁場環(huán)境下產(chǎn)生磁致振動,亞穩(wěn)態(tài)原子沿著磁場方向振幅加大,提高了原子由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)位置躍遷的趨勢。中期階段,部分極不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)原子在磁場作用下獲得足夠的有效應(yīng)力,克服了原子釘扎阻力,如圖5(b)最上端的原子,成功由亞穩(wěn)態(tài)位置躍遷至穩(wěn)定態(tài)位置。剩余原子因磁場強(qiáng)度較小、時間短無法獲得克服釘軋阻力的有效應(yīng)力,導(dǎo)致其無法由亞穩(wěn)態(tài)位置躍遷至穩(wěn)定態(tài)位置,最終也無法促進(jìn)位錯大規(guī)模運動。后期階段只有一小部分位錯運動,由于異號位錯的合并湮滅及一些斷裂位錯重新生成新的完整閉環(huán)位錯,導(dǎo)致位錯密度降低,局部區(qū)域殘余應(yīng)力得到松弛,宏觀殘余應(yīng)力降低。
當(dāng)采用低溫、短時、低強(qiáng)度脈沖磁-熱耦合處理工藝時,初期階段,工件受磁致振動與熱激活雙重作用,內(nèi)部原子振動頻率加快,沿著磁場方向振幅加大,提高了原子由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)位置躍遷的趨勢。中期階段,大部分處在亞穩(wěn)態(tài)的原子在磁-熱雙重作用下獲得充分克服原子釘軋阻力的有效應(yīng)力,如圖5(c)上、中端的原子所示,成功由亞穩(wěn)態(tài)位置遷移至穩(wěn)態(tài)位置。唯余少部分原子因磁場強(qiáng)度較小,時間短等原因依舊無法克服阻力,無法由亞穩(wěn)態(tài)位置躍遷至穩(wěn)態(tài)位置。后期階段,大規(guī)模位錯開動,在復(fù)雜的位錯運動過程中,異號位錯合并湮滅,一些斷裂位錯交互作用重新生成新的完整閉環(huán)位錯,位錯密度大幅降低,殘余應(yīng)力得到松弛,宏觀殘余應(yīng)力得到大幅消減。
1) 短時、低溫加熱處理工藝可以降低試驗取向硅鋼的位錯密度及殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力降幅最大為16.7%。短時、低強(qiáng)度脈沖磁場亦可降低位錯密度及殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力降幅最大為20.6%。
2) 短時、低溫、低強(qiáng)度脈沖磁-熱耦合處理可高效降低試驗取向硅鋼的位錯密度及殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力降幅最大達(dá)55.5%,比單純只加熱場和只加磁場的處理去除效果優(yōu)異。
3) 短時、低溫、低強(qiáng)度磁-熱耦合處理去除殘余應(yīng)力的微觀機(jī)制是脈沖磁場和溫度場耦合作用下進(jìn)一步提高材料內(nèi)部位錯運動,實現(xiàn)了局部回復(fù),達(dá)到位錯密度和殘余應(yīng)力減小的目的。最佳短時、低溫、低強(qiáng)度磁-熱耦合工藝為:時間180 s、溫度400 ℃、峰值電流180 A。