低频交变磁场作用下铁磁性材料组织性能变化规律的研究

论文摘要

利用磁场实现铁磁性材料组织性能的快速转变是近三十年发展起来的一种新型材料处理方法,它具有节能环保、操作方便和无附加变形等优点,应用前景十分广阔。然而,由于目前对磁处理的规律和机制还未完全掌握,此项技术在工业生产中尚未得到广泛应用。因此,优化磁工艺参数、揭示磁处理的规律和机制是一项十分重要和有意义的科研课题。本文通过试验和理论分析等手段,对低频交变磁场作用下低合金高强度钢QStE420组织性能的变化规律进行了研究。主要成果如下:在磁路设计和计算的基础上,设计制作了一套低频交变磁场发生装置。利用该装置,可以实现对励磁电压、磁场方向、频率和处理时间的调节和控制。选用前人确定的磁工艺参数对薄钢板堆焊焊缝进行了处理,并通过钻孔法测量了磁处理前后的焊接残余应力,结果发现:(1)磁处理后应力整体下降,(2)初始应力较大处的应力下降量也较大。通过正交试验方法得出,各磁工艺参数对焊接残余应力的影响程度(由强到弱)依次为“磁处理时间”、“磁场方向”、“磁场频率”和“励磁电压”;并且当上述磁工艺参数取值依次为“40s”、“垂直于焊缝”、“2Hz”和“225V”时得到最优参数组合。以最优磁工艺参数对试样进行处理,通过拉伸和硬度试验测量了力学性能指标在磁处理前后的改变,发现磁处理后材料塑性略有提高、硬度降低,各试样同一性能指标之间的差异性明显减小。利用扫描电子显微镜对焊缝横截面形貌进行了观察,发现磁处理后试样微区存在着较为明显的磁致塑性形变。改变磁场频率,磁致塑性形变量和磁致伸缩幅值具有不同的变化趋势,由此证明磁致伸缩并非产生磁致塑性形变的主要原因。利用原子力显微镜对磁畴结构进行了观察,分析了磁化过程中因磁畴壁移动而导致的磁畴能量变化,进而推得在畴壁的不可逆位移阶段,应力与畴壁位移近似呈二次曲线关系。在此基础上从磁畴结构与能量的变化角度解释了部分已有的试验现象。本文研究结果可为进一步寻求磁处理的作用规律和机制提供参考,并有望为磁处理技术在生产实际中的应用和推广提供一定的科学指导和理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铁磁性材料简介
• 1.3 铁磁性材料磁处理技术的研究现状
• 1.3.1 磁处理技术的研究现状
• 1.3.2 存在的问题
• 1.4 课题的来源、目的和意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 低频交变磁处理装置的设计与制作
• 2.1 引言
• 2.2 磁化器的设计
• 2.2.1 铁芯的设计
• 2.2.2 磁路计算与磁化器的制作
• 2.2.2.1 磁路各组成部分磁势的计算
• 2.2.2.2 关于空气隙长度选择与试样厚度选取的讨论
• 2.2.2.3 感应线圈匝数和导线直径的确定
• 2.2.2.4 铁芯损耗的估算
• 2.2.2.5 磁化器绕组的加工与制作
• 2.2.3 工件夹具的设计
• 2.3 变频器的选择
• 2.4 调压器的选择
• 2.5 磁处理装置的组装
• 2.6 本章小结
• 第3章 磁处理对焊接残余应力的影响规律
• 3.1 引言
• 3.2 钻孔法测量残余应力的原理和步骤
• 3.3 试验材料与应力测量方案
• 3.3.1 试验材料
• 3.3.2 应力测量与比较方案
• 3.4 残余应力在磁场作用下的变化规律
• 3.4.1 焊接残余应力测量步骤
• 3.4.2 焊接残余应力测量结果分析
• 3.4.2.1 应变释放系数的确定
• 3.4.2.2 试验结果分析
• 3.5 磁工艺参数对磁处理效果的影响
• 3.5.1 正交试验设计方案
• 3.5.2 正交试验结果与极差分析
• 3.5.3 因素对指标影响的方差分析与显著性检验
• 3.5.3.1 试验结果的方差分析
• 3.5.3.2 因素对指标影响的显著性分析
• 3.5.4 磁工艺参数对残余应力变化的影响
• 3.5.4.1 磁处理时间对残余应力变化的影响
• 3.5.4.2 磁场方向对残余应力变化的影响
• 3.5.4.3 磁场频率对残余应力变化的影响
• 3.5.4.4 励磁电压对残余应力变化的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 磁处理对材料力学性能的影响规律
• 4.1 引言
• 4.2 磁处理对材料拉伸力学性能的影响
• 4.2.1 电测法测弹性模量与泊松比
• 4.2.1.1 试验原理与数据处理方法
• 4.2.1.2 试验器材
• 4.2.1.3 拉伸试样的制备与试验准备工作
• 4.2.1.4 弹性模量和泊松比的测量步骤与结果
• 4.2.2 屈服强度、抗拉强度和延伸率的测量
• 4.3 磁处理对材料硬度的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 磁处理改变材料组织性能的机制
• 5.1 引言
• 5.2 磁致塑性形变现象
• 5.2.1 最优磁工艺参数作用下试样的微区塑性形变
• 5.2.2 不同磁场频率下试样微区塑性形变的比较
• 5.3 磁致伸缩现象
• 5.3.1 磁致伸缩的测量方法
• 5.3.2 不同频率参数的磁场作用下磁致伸缩幅度的比较
• 5.3.3 磁致塑性形变与磁致伸缩现象的关系
• 5.4 磁化过程中试样磁畴结构与磁畴能量的变化
• 5.4.1 磁化过程磁畴结构的变化及其对应力的影响
• 5.4.2 磁畴结构的观察
• 5.4.3 磁化过程中磁畴能量变化的分析
• 5.5 利用磁畴能量法解释已有试验现象
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文