Page 13 - 理化检验-物理分册2020年第二期

沈正祥, 等: 矫顽力在碳钢热处理质量预评定中的应用

技术可用于分析不同淬火、 回火温度下双相钢的马
氏体体 积 分 数 和 力 学 性 能 [ ７Ｇ８ ] . TANNER 等 [ ９ ] 观
察到矫顽力与晶粒尺寸的倒数成线性关系, 其与铁
素体和珠光体的关系如下
æ φ pö æ φ fö
ç ÷ ç ÷ ( １ )
Hc＝ c １ ＋ c ２
è d pø è d fø
式中: 和 φ f 分别为珠光体和铁素体的体积分数;
φ p
和d f 分别为珠光体和铁素体的晶粒尺寸; c １ 和
d p
c ２ 为常数. 图 １ 低碳钢试样的典型磁化曲线
一般来说, 当材料中某一组分大量存在时( 如铁 Fi g 敭１ T yp icalma g netisationcurvesoflowcarbonsteelsam p le
素体基体中的珠光体), 即有可能主导整体的磁性行 的钉扎效应起主要作用时, 矫顽力可由下式表示 [ １１ ]
为. YOSHINO 等 [ １０ ] 指出铸铁中珠光体的体积分 ２．８γ １８０ ρ in æ d in ö １ / ２ æ ２L zö １ / ２
１ / ２
Hc１ ≈ ç ÷ ç ln ÷ ( ２ )
数小于 １７％ 时, 不会对矫顽力产生显著影响; 当珠 １ / ２ è δ １８０ø è δ １８０ ø
μ ０Ms S δ
光体的体积分数大于 ６０％ 时, 矫顽力与珠光体成比 １．７５γ １８０ ρ in æ ２L zö １ / ２
１ / ２
Hc２ ≈ ç ln ÷ ( ３ )
１ / ２
例增加, 而与晶粒尺寸无关.虽然通过监测钢铁材 μ ０Ms S δ è d in ø
料的磁性参数可以对钢铁材料的晶粒尺寸、 相含量、 式中: Hc１ 为小尺寸夹杂物引起的矫顽力; Hc２ 为大尺
热处理条件和力学性能等进行评价, 但多种冶金因 寸夹杂物引起的矫顽力; d in 为夹杂物的平均直径; L z
素都有可能影响材料的磁性能和力学性能, 因此需 为磁畴体的当量长度; 为体积密度; δ １８０ 为夹杂物的
ρ in
要进行深入研究, 以便在实际情况下更好地应用这 厚度; S δ 为夹杂物的面积; γ １８０ 为 １８０° 磁畴壁单位面
些技术.研究各种磁性能参数与力学性能之间的定 积的表面能; Ms 为饱和磁化强度; 为常数.
μ ０
量关系, 既有助于热处理质量的精确控制, 也有助于 当晶体内部位错引起的应力起主要作用时, 矫
磁性无损检测技术在钢铁性能评估中的应用. 顽力可表示为 [ １２ ]
１ / ４
笔者系统地阐述了基于矫顽力的无损评估方法, ３λ s Gbr ( １＋ μ ) é ２L zù １ / ２
１ / ２
Hc ≈ ê ê ( １＋ δ １８０ r ) δ １８０ ln ú ú
１ / ２
(
并结合两种常见碳钢的热处理试验和力学性能试验, ８ μ ０Ms S δ １－ μ ) ë δ １８０ û
对材料的显微组织、 力学性能与矫顽力参数进行了关 ( ４ )
联, 以期获得较为准确的磁性参数与力学性能的经验 式中: r 为位错密度; G 为弹性模量; 为泊松比; b
μ
关系, 为材料热处理质量的预评定提供参考. 为 Bur g ers参量; λ s 为饱和磁致伸缩量.
由以上公式可知, 矫顽力对微观结构和化学成
１ 基于矫顽力的无损评估技术
分非常敏感, 在很多情况下, 其与力学性能也有很好
铁磁性材料可通过外部施加的时变电磁场进行 的相关性, 而且不受尺寸 和提离效应的 影 响 [ １３Ｇ１４ ] .
磁化, 从而发生畴壁位移和磁畴转动, 该过程可利用 钢铁材料经过热处理后, 组织结构发生变化, 矫顽力
磁滞回线表示.磁滞特性取决于材料内部的微观结 也随之变化, 因此可通过测定热处理前后钢铁件的

构, 磁畴壁在运动过程中必须克服各种微结构障碍, 矫顽力来表征其微观结构和性能变化.
这是出现磁滞行为的本质原因.基于磁滞行为与微 ２ 显微组织与矫顽力的关系
观结构、 残余应力、 局部缺陷间的相互关系可开发出
磁滞无损评估技术, 用于评估材料微观结构和缺陷 ２．１ 试验方法
密度变化导致的相应力学性能的变化, 从而表征材 试验材料为某高碳钢, 其主要化学成分( 质量分
料的固有特性.由图 １ 可知, 磁感应强度 B 和磁场 数) 为 ０．８５５％ C , ０．２１％ Si , ０．５１％ Mn , ０．０１％ P ,
强度 H 具有非单值性, 同时 BＧH 曲线还具有非线 ０．００６％ S .通过调节奥氏体化温度、 等温冷却或连
性及饱和性. 续冷 却 等 热 处 理 条 件 来 改 变 试 样 显 微 组 织 ( 见
根据经典的直流磁化和循环理论, 铁磁性材料的 表 １ ), 并将部分试样在 ７００ ℃ 下进行 １５０h 的球化
矫顽力是由阻止磁畴边界不可逆位移的平均力决定 热处理, 以形成稳定的铁素体相, 然后使用振动探针
的, 微结构障碍可能是夹杂物、 位错、 残余应力、 晶界 式磁强计测量试样的矫顽力, 每个试样测量 ５ 次取
以及其他晶格不均匀性和缺陷.当晶体内部夹杂物 平均值.
２