磁巴克豪森噪声法无损测定AISI9310渗碳钢的残余应力

前言

AISI 9310是一种具有高淬透性、核心韧性和耐疲劳性的镍铬钼钢，广泛用作高性能旋转和承载航空航天部件的渗碳钢。渗碳零件的可靠性能需要对微观结构、硬度和残余应力进行严格的质量控制。本研究评估了磁性巴克豪森噪声（MBN）方法作为评估渗碳工艺参数对AISI 9310钢表面完整性影响的无损工具的适用性。通过改变渗碳、低温处理和回火条件，制备了具有不同残余应力状态的试样。使用MBN测试表明，在所研究的配置中，MBN参数与表面残余应力之间存在明显的相关性。此外通过基于XRD方法测定残余奥氏体和测定残余应力进行了补充。研究结果强调了MBN作为一种快速、经济有效的方法监测渗碳钢中工艺引起的残余应力变化的潜力。

金相学、硬度分析和X射线衍射等传统表征技术仍然不可缺，因为它们提供了有关微观结构、硬度分布、残余奥氏体和残余应力的直接信息。然而，这些测试速度较慢，并不总是很适合在工业环境中的常规生产控制或快速反馈。这保持了人们对无损方法的兴趣，这些方法可以指示零件的表面状况是否保持在预期的工艺范围内。在这种情况下，磁性巴克豪森噪声法引起了特别的关注，因为它对影响铁磁钢畴壁运动的残余应力和微观结构特征都很敏感。早期对渗碳钢的研究表明，巴克豪森效应对应力变化和磨削等后处理操作引起的表面损伤有明显的反应。MBN不是一种直接的残余应力测量方法。该信号反映了应力、相组成、位错结构、碳化物沉淀和硬度相关钉扎效应的综合影响。

实验步骤

AISI/SAE 9310钢在925℃下渗碳3小时。淬火（A-1）后，使用分别对应于试样A-1-1、A-2-1和A-3-1在-25、-75和-100℃下处理的试样评估亚零度处理的效果。然后使用与-100℃零下条件相对应的试样检查回火的效果，然后不回火、150℃回火和300℃回火，即A-3-1、A-3-2和A-3-3。

 使用亚零度处理温度升高的显著影响是残余奥氏体的逐渐减少。当温度从-25℃降至- 100℃时，其含量从A-1-1中的约15%降至A-2-1中约11%，A-3-1约7%。在零度以下处理之前，这些试样含有大约19%的残余奥氏体。这种行为与低温下持续的马氏体相变以及随之而来的硬度、残余应力和MBN响应的变化是一致的。渗碳和硬化钢也有类似的趋势，其中较深的低温处理抑制了残余奥氏体，并使其最终状态稳定。从表面完整性的角度来看，这一趋势很重要，因为残余奥氏体会影响尺寸稳定性、局部转变行为和渗碳层的最终残余应力平衡。

随着残余奥氏体的减少，表层变得更硬，因为大部分表面转变为马氏体。A-1-1、A-2-1和A-3-1的硬度深度比较表明，这种影响不限于单个表面点，而是延伸到近表面渗碳区域。这一趋势在技术上是相关的，因为较高的表面硬度可以提高对局部塑性变形和磨损的抵抗力，尽管它应该与残余奥氏体和残余应力一起解释。A-3-1和A-3-2之间的微小差异表明，在150℃下回火仅导致残余奥氏体水平的有限变化，而在300℃下淬火则产生了更大的减少。

 较低的零下处理温度也使表面残余应力状态更具压缩性。在热处理后的表面，残余应力从A-1的-363MPa左右变化到A-1-1的-423MPa和A-3-1的-458MPa。在30µm电解抛光后，同样的趋势变得更加明显，A-1的值约为-259 MPa，A-1-1 的值为-458 MPa，A-3-1的值为-509 MPa。在零下处理过程中，残余奥氏体的减少伴随着更高的压应力水平。这与残余奥氏体向马氏体转变相关的体积膨胀以及更深的亚零度处理产生的更强烈的压缩主导表面状态是一致的。

图3中的负柱状图显示了向更强压应力的明显进展，而下面讨论的回火柱状图显示了这种有益状态的放松。这一趋势是解释磁响应的核心，因为巴克豪森信号必须根据物理上有意义的残余应力基线进行评估。

MBN响应也随着深冷处理而发生系统性变化 (图4)。随着处理温度的降低，MBN的电压信号降低；因此，更深的低温处理导致巴克豪森信号降低。这与硬度和压应力的同时增加是一致的，这两者都阻碍了磁畴壁的运动。实际上，这表明MBN可以在所研究的渗碳路线中区分不同的低温处理结果。这种解释也与既定的MBN行为一致。压缩应力倾向于抑制巴克豪森信号，而拉伸应力或压缩释放倾向于增加巴克豪森信号。图4显示了MBN响应随后处理条件的系统变化，反映了硬化层机械状态的变化。这与工艺验证和筛选在制造或服务过程中可能经历过不希望的热暴露的组件直接相关。

结果表明，MBN受到所有三个主要表面完整性变量的影响，但程度不同。较硬的马氏体结构和较强的压应力抑制了巴克豪森信号，而回火引起的软化和应力松弛则增加了巴克豪森信号。残余奥氏体还会通过降低活性铁磁分数来影响信号。即便如此，总体数据集表明，在当前配置中，残余应力对 MBN响应的影响最大，而硬度和残余奥氏体则起着次要作用。

MBN信号与硬度之间的反比关系很明显，但硬度本身并不能解释观察到的行为。这在回火过程中尤为明显，MBN响应的增加不能仅用硬度降低来解释；压应力的同时松弛同样重要。同样，不能只考虑残余奥氏体，因为在零下处理期间，残余奥氏体会随着硬度和残余压力的变化而降低。因此，应将MBN理解为反映整体近表面状况，而不是任何单一的特性。

XRD残余应力、MBN信号和电解抛光表面硬度的直接比较表明，在所研究的装置中，MBN峰强度和残余应力之间存在近似线性关系。这支持了工艺比较得出的相同结论，即MBN对有益压缩的损失，或向较低压缩，或拉伸状态的转变特别敏感。

从工业角度来看，这些发现为MBN定义了一个现实的角色。当已知材料、几何形状和热处理路线时，该方法非常适合渗碳铁磁部件的快速分选、工艺验证和表面状况筛选。其主要价值在于指示近表面条件是否保持在可接受的工艺范围内，特别是在保持或放松有益的压应力方面。通过这种方式使用，MBN可以通过减少需要较慢验证测量的组件数量以及支持面向状态的维护和再制造决策来补充XRD和硬度测试。对于渗碳AISI 9310，这些结果定义了与零下处理和回火条件相关的实际有用的MBN响应范围。同时，目前的结果强调了一个重要的局限性：这里获得的相关性是特定于所研究的材料、试样几何形状和测量设置的。因此，MBN在工业中的实际实施应依赖于校准的、特定于应用的程序，而不是通用的转换关系。

检测结论  

本研究表明，MBN可以可靠地跟踪AISI 9310钢渗碳后处理产生的主要表面完整性变化。降低亚零度处理温度会减少残余奥氏体，增加硬度，并强化压应力的状态，导致MBN响应降低。相比之下，回火，特别是在300℃下，降低了硬度，几乎消除了剩余的残余奥氏体，并大大缓解了有益的压应力，从而提高了MBN响应。

在所研究的变量中，残余应力对MBN响应的影响最大，而硬度和残余奥氏体的影响较小，但仍然有意义。综上所述，这些结果支持将MBN用作校准的工业相关的无损检测工具，用于渗碳铁磁部件的表面完整性筛查和工艺验证。报告的关系特定于所研究的材料、试样几何形状和测量配置，因此应仅在适当重新校准的情况下应用于其他情况。