磁测法在金属锻件残余应力检测中的应用

张卫亮

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏 常州 213179）

1 金属锻件残余应力检测方法设计

1.1 设定金属锻件疲劳强度参数

金属锻件残余应力的检测越来越受到人们的重视，工业上检测残余应力的方法有很多种，但是本文研究的检测方法是基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法，通过设定金属锻件疲劳强度参数，来实现残余应力的检测。

金属锻件出现疲劳现象是指金属锻件在循环应力作用下，在某些位置出现永久性损伤，无限循环后损伤处发生断裂的过程。

图1 金属锻件残余应力检测装置框架图

当金属锻件的结构多次受到载荷作用，残余应力值始终低于金属锻件本身的强度极限，在这种情况下，金属锻件的结构就会被破坏，检测金属锻件的残余应力可以延长金属锻件的使用寿命[2]，具体的金属锻件残余应力检测装置框架图见图1。

1.2 计算金属锻件疲劳强度

金属锻件疲劳强度计算是以名义应力为基础，在寿命计算过程中，分为无限寿命计算和有限寿命计算，由于金属锻件内部结构不均匀，容易出现应力传递的不平衡现象，有的位置应力集中，有的位置应力分散，与此同时，金属锻件的残损处还会出现很多小的裂纹，在外力不断循环作用下，裂纹会越来越严重，金属锻件能够传递应力部分越来越小，直到剩余金属锻件不能传递负载，即残余应力为0时，金属锻件就会完全被损坏。

金属锻件出现疲劳时产生的裂纹会给人们带来很大的灾难，然而，金属疲劳现象发生也有好处，利用金属锻件的疲劳特性可以制造残余应力断料机，对不同性能的金属材料的非金属材料在某一位置发生疲劳断裂，从而对材料进行切割，切割过程所消耗的时间非常短，一般只需要2秒以下的时间就足够，一般情况下越是难以切割的金属材料，人们越需要这种加工技术来实现。

根据工业部门提供的数据进行统计分析，普通金属锻件的疲劳强度为40%～50%，在延长金属锻件使用寿命上仍然具有很大的发展空间，在磁测法应用到金属锻件残余应力检测中，可以直接计算出金属锻件的疲劳强度，再结合金属锻件的屈服强度和应力集中系数以及金属锻件尺寸大小和表面质量来研究基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法。

1.3 确定金属锻件的屈服强度和应力集中系数

金属锻件的屈服强度和应力集中系数影响其疲劳强度。通常情况下，金属锻件的屈服强度越低，它的疲劳强度就越低，因此，想要降低金属锻件的疲劳强度就要先降低其屈服强度，对于同一种金属锻件来说，晶粒组织越粗屈服强度越低。

当金属锻件发生疲劳断裂时，通常是微观裂纹在重复载荷作用下不断扩展直至锻件裂纹完全损坏，当金属锻件受载时，如果锻件的圆角处、凹槽处产生应力集中，对残余应力集中敏感程度与金属锻件材料本身有关，通常采用残余应力集中系数来分析应力集中对疲劳强度的影响，金属锻件的屈服强度和应力集中系数越高，对应力集中越敏感，其疲劳强度越大。

1.4 确定金属锻件尺寸大小和表面质量

金属锻件尺寸大小和表面状态对其疲劳强度也有一定影响。可以用金属锻件尺寸系数来表示金属锻件尺寸的大小对疲劳强度的影响，当一切条件相同时，金属锻件尺寸越大，对其疲劳强度影响越明显，主要原因就是金属锻件的晶粒比较粗，发生损坏的概率大；还可以用表面状态系数来表示金属断件表面质量对其疲劳强度的影响，加工后的金属锻件表面状态的敏感程度很低，因此，金属锻件表面越粗糙，其表面状态系数越低，所以给金属锻件提升加工质量，能有效提高疲劳强度。

1.5 实现多因素检测

首先，工业中最常用的残余应力检测方法是在疲劳试验机上模拟工作载荷检测疲劳（断裂）强度。疲劳强度是金属锻件性能指标中比较常见的检测项目，韧性好的金属锻件不容易发生脆断破坏，尤其是温度特别低的时候，金属锻件的韧性是非常重要的。在交变应力条件下，疲劳强度指标对于残余应力的检测是非常重要的，如果金属锻件的疲劳强度低，就很容易出现疲劳断裂，缩短使用寿命，严重时还会发生更危险的灾难性事故。

其次，外形合理化可以有效提高金属锻件的疲劳强度。金属锻件外形变化趋势越激烈，其疲劳强度就越大，工业上一般采用改变金属锻件外形尺寸的方法来减小疲劳强度，如果金属锻件的横截面积比较大，就会降低疲劳强度又不会影响金属锻件的使用寿命。设计金属锻件外形时，尽量避免带有尖角的槽，在金属锻件的外形尺寸发生变化的位置，如果需要设计直角时，可以选择直径大的应力集中区，这样检测的残余应力会比较准确，可以有效延长金属锻件的使用寿命。在金属锻件残余应力检测中，要根据实际情况避免不利因素影响金属的疲劳强度，延长金属锻件的使用寿命。

2 实验分析

实验材料选择同一种金属锻件，采用热处理和加载处理工艺对金属锻件进行试样处理，设置热处理温度为500摄氏度，温度保持恒定的时间分别为0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，实验在不受其他外界环境因素影响的条件下进行，分别采用基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法和传统残余应力检测方法，对金属锻件进行不同温度恒定时间的热处理，记录金属锻件的疲劳强度数据，金属锻件疲劳强度与温度恒定时间关系图见图2。

图2 金属锻件疲劳强度与温度恒定时间关系图

根据采用不同检测方法得到的金属锻件疲劳强度与温度恒定时间关系图可知，温度恒定的时间不同，两种方法检测出来的金属锻件疲劳程度有很大差别，很明显，采用本文基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法检测的金属锻件疲劳强度都在30%以下，而传统残余应力检测方法检测的金属锻件疲劳强度很高，因此可以得出采用基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法能够降低金属锻件的疲劳强度，从而延长金属锻件使用寿命。

3 结语

随着工业发展的不断进步，金属锻件残余应力检测方法需要进一步更新，本文磁测法在金属锻件残余应力检测中的应用研究对延长金属锻件的使用寿命具有重要意义，为了延长金属锻件的使用寿命，强化金属锻件残余应力检测方法成为必然，虽然我国的金属锻件残余应力检测方法已经取得一番成就，但是距离发达国家金属锻件残余应力检测方法的发展还存在一定差距，突破原有的金属锻件残余应力检测方法，推广采用基于磁测法的金属锻件残余应力检测方法。本文的磁测法在金属锻件残余应力检测中的应用对延长金属锻件的使用寿命研究具有支撑作用。希望本文的研究能为金属锻件残余应力检测提供可靠的方法依据，促进工业的发展。