马氏体

近日，湖南大学机械与运载工程学院姜潮教授团队与德国马普所Dierk Raabe院士团队合作提出相变介导疲劳的全新科学概念与物理机制,该研究成果以“The dual role of martensitic transformation in fatigue crack growth”为题在线发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，通常简称为PNAS）。论文第一作者为湖南大学王晓钢教授，（从事机械结构强度学研究，2014年毕业于法国里尔一大，毕业后入职湖南大学机械与运载工程学院，2021年获国家自然科学基金优秀青年项目资助），论文共同通讯作者为湖南大学姜潮教授和德国马普所孙彬涵博士。该研究提出相变介导（Transformation-mediated）疲劳的全新科学概念与物理机制，深入揭示了马氏体相变对疲劳裂纹扩展影响的两面性，澄清了相变疲劳的多尺度效应。这一机理性突破为新一代抗疲劳材料的设计提供了全新理念与技术路径，并有望用于构建基于材料失效物理的多尺度寿命模型，应用于航空、航天、核电、高铁等重要工业领域。疲劳失效是机械装备结构失效的首要原因，约占全部机械失效事件的90%，由此带来了巨大的经济损失和安全隐患。为避免疲劳失效的发生，就需要深入理解控制疲劳损伤的微观物理机制，这些机制可能显著区别于材料在静载荷下的力学行为。一个典型例子就是形变诱导马氏体相变（Deformation-induced martensitic transformation），尽管这一机制早已被公认为合金材料最有效的强化机制之一，但其对材料疲劳性能的影响目前仍不明确，并长期存在着多种相互矛盾的机理解释。马氏体相变对材料疲劳裂纹扩展速率的影响该工作采用一种新兴的中锰TRIP钢作为研究材料，该材料可实现对奥氏体含量和机械稳定性的大范围调节，从而有效控制材料发生马氏体相变的倾向性，这为通过直接对比两种在相变倾向性上具有显著差异的材料力学行为，从而探明相变疲劳效应提供了理想条件。此外，该工作还采用了先进的原位SEM疲劳实验技术，可对疲劳裂纹扩展及其周边微观组织演化进行实时观察，从而实现疲劳过程细节信息的完整获取。得益于新材料和新技术手段的采用，研究发现了一些关于马氏体相变效应的有趣现象和结果。研究表明，马氏体相变对疲劳裂纹扩展的影响存在着两面性。在短裂纹阶段，马氏体相变可起到抑制疲劳裂纹扩展的有益作用，可使疲劳裂纹扩展速率降低高达2个数量级；而在长裂纹阶段，马氏体相变却起到加速疲劳裂纹扩展的相反作用。进一步的机理研究揭示，马氏体相变可诱发两种具有对抗性的疲劳机制，即起抑制裂纹扩展作用的相变介导裂纹滞止（Transformation-mediated crack arresting）和起促进裂纹扩展作用的相变介导裂纹合并（Transformation-mediated crack coalescence），其分别在短裂纹阶段和长裂纹阶段起主导作用。研究深入分析了这两种疲劳机制的成因，证明其来源于相变产物马氏体自身所具有的“硬而脆”的内禀特性，而并非来源于相变过程本身（如裂纹闭合效应）。相变介导裂纹滞止效应关于相变疲劳效应两面性的揭示，可用于合理解释和调和一些看似矛盾的疲劳现象报道，并有望用于一种全新亚稳微观组织梯度材料的设计，以提升材料的抗疲劳性能。研究提出的相变介导概念是对传统相变疲劳理论的一个重要补充，有助于深入理解亚稳合金材料疲劳损伤的微观物理机理。研究得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金项目（51725502）、面上项目（51975195）以及德国洪堡基金的支持。

百若仪器，不断创新，正在引领着中国应力腐蚀试验（SCC）新的高度，为中国材料应力腐蚀敏感特性研究测试做出新的贡献。 我国幅员辽阔，海岸线长达几万公里，开发海洋资源，发展海洋经济对我国国民经济具有十分重要的战略意义。海水是腐蚀性极强的电解质，为了高效的利用海洋材料，必须研究海洋材料的耐腐蚀性，开发具有耐海水腐蚀的材料。 由于传统的海洋腐蚀试验环境已无法满足试验需求，试验不可能在深海环境中进行，只能模拟深海环境，由于本项目研究的是在深海环境中服役的材料，其目的是研究这些材料在深海环境中的耐腐蚀行为。 上海百若试验仪器有限公司开发的模拟深海环境的慢应变速率应力腐蚀试验机，根据深海环境的特点，模拟深海环境，恒低温2℃，高压，可达25MPa，专门用于检测工作在深海环境的金属材料的耐腐蚀性能。该设备腐蚀介质循环系统，模拟海水环境中，可进行控氧、PH值调节、电导率调节。这台设备是国内首台低温高压深海应力腐蚀（SCC）试验机，此产品的研制成功填补了国内空白，在国际上也是首屈一指的新产品，为我国研究深海材料应力腐蚀敏感特性提供很大的帮助，产品交付中科院金属研究所。该产品符合以下标准： ASTM G111 Guide for Corrosion Tests in High Temperature or High Pressure Environment, or Both ASTM G129 - 00(2006) Standard Practice for Slow Strain Rate Testing to Evaluate the Susceptibility of Metallic Materials to Environmentally Assisted Cracking ISO 7539-7-2005 Corrosion of metals and alloys – Stress corrosion testing Part7: Method for slow strain rate testing HB 7235-1995 慢应变速率应力腐蚀试验方法 HB 5260-1983 马氏体不锈钢拉伸应力腐蚀试验方法 GB/T15970.7-2000 《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢应变速率试验》

p　　磁巴克豪森噪声(Magnetic Barkhausen Noise，MBN)技术作为一种新的无损检测技术，可实现对铁磁性材料早期性能退化及微损伤的检测和评估，能够在材料使用早期确定材料表面应力状态、疲劳损伤状况及微观组织变化特性，从而能够及早发现材料早期损伤的部位，为重要设备或构件的安全评价和剩余寿命评估提供可靠依据。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201607/insimg/8512b097-7a8a-4cfc-93a1-05e223c0f2f0.jpg" title="640.webp.jpg"//pp style="text-align: center "MBN检测装置框图/pp　span style="color: rgb(255, 0, 0) "　strong1. 国外研究现状/strong/span/pp　　目前已有多国的研究人员开展了MBN技术的研究，如德国弗劳恩霍夫研究所、英国纽卡斯尔大学、牛津大学、美国爱荷华州立大学、芬兰Stresstech公司、坦普雷科技大学、巴西圣保罗大学、伊朗马什哈德菲尔多西大学以及印度科技大学等。/pp　　国际上对于MBN效应的研究及应用主要集中在应力检测、疲劳状态分析、硬度检测、微观组织分析、晶粒度测量及表面热处理工艺评价等方面，并提出了许多改善MBN信号的处理方法。/pp　　strong(1)材料应力检测/strong/pp　　材料所受应力主要有两大方面：/pp　　一是外界加载应力，涵盖压应力与拉应力、单向应力与周期应力、低应力和超限应力等 /pp　　二是材料内部残余内应力，包括残余拉应力和残余压应力等。/pp　　对于外加应力，英国的M. Blaow等研究人员在探究铁磁性材料受外力加载弯曲过程中的MBN信号变化时，指出应力会影响材料的磁化能力，改变MBN信号的波峰幅值和波峰位置，并且指出拉应力下的MBN信号多为单峰信号，而压应力下的MBN信号会出现多个峰值。2014年，德国的M.S. Amiri等研究人员指出应力的各向异性和晶体的各向异性对材料的磁化起决定性作用，在铁磁性材料的易磁化轴方向上，应力对MBN信号的影响大于其他方向，并通过磁致伸缩曲线和磁化曲线进行了验证说明。/pp　　对于材料内部的残余应力，目前已有较多的研究成果。如印度的M. Vashista长期研究材料表面残余应力和MBN信号的关系，并指出材料在弹性范围内，MBN磁响应信号与残余应力成正相关的关系。/pp　　strong(2)疲劳状态检测/strong/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201607/insimg/d4675d39-fa9e-403a-ac32-e3ebfd429b27.jpg" title="640.webp (1).jpg"//pp style="text-align: center "金属疲劳过程中产生的缺陷/pp　　目前非常急需铁磁性材料疲劳状态的全生命周期无损检测和评估技术，特别是针对疲劳裂纹形成前和形成初期的检测技术，而MBN技术为解决这一问题提供了有效的理论支撑和技术支持。目前疲劳过程中的MBN信号变化的研究主要集中在位错密度的增加、滑移带的形成、裂纹的萌生等微观结构的变化，以及缺陷数目、畴壁与MBN峰值电压的相互作用等方面。/pp　　金属在循环载荷的作用下，MBN信号变化显著，为了探究循环载荷和单向载荷对MBN信号影响的区别，2004年英国的V.Moorthy研究了En36钢在超限应力(最大达1700MPa)循环作用下的MBN信号特性，指出与单向载荷相比，高应力下的循环载荷会增加材料的位错密度，会使MBN信号峰值减小，加速材料疲劳。/pp　　对于部分非磁性的金属材料，利用MBN技术也可进行疲劳检测。2005年，Vincent等研究人员将MBN技术用于304L奥氏体不锈钢低周疲劳的检测，由于不具有磁性的& #947 铁在冷轧及循环载荷作用下会产生形变，诱导马氏体产生，所以研究人员提出了& #945 ’-马氏体内应力计算的复合模型，通过MBN技术可以测得马氏体体积分数，评估非铁磁性奥氏体不锈钢的疲劳损伤特性。/pp　　strong(3)金属微观组织和晶粒度分析/strong/pp　　关于金属内元素化学成分对MBN信号的影响，巴西的M.F.Campos等研究人员于2011年重点研究了合金钢中镍含量对材料硬度和MBN信号幅值的影响，总结出镍含量少的合金磁畴更易发生偏转。英国的V.Moorthy在2014年比较了碳含量不同(含碳量分别为0.20%和0.41%)钢的MBN信号的差异，并对试件进行了金相组织分析，指出碳含量的变化只会影响波峰的位置，对波峰的高度影响不大，还指出低频激励下的碳钢MBN信号存在两个波峰，而高频激励时只有一个波峰。/pp　　材料中的相含量(如马氏体、铁素体等)不同会影响MBN信号。2014年，伊朗的S. Ghanei详细研究了双相钢中马氏体含量和MBN信号峰值的关系，得出马氏体含量的增大会使MBN信号峰值增大的结论。VINCENT A等研究人员通过研究奥氏体和马氏体相互转换前后MBN信号的差异，来判断材料中的马氏体含量。/pp　　在晶粒度方面，S. Ghanei等研究人员于2014年分析了铁素体-马氏体双相钢中晶粒各向异性、晶体边界等微观结构对MBN信号的影响，指出晶粒尺寸的减小会使晶界密度增大，导致MBN信号增加。墨西哥的P. Martí nez-Ortizyan等研究人员于2014年研究了晶粒的易磁化轴和MBN信号主峰之间的关系，通过转动试样对其进行360& #176 的MBN检测，通过MBN信号能量的不同来确定材料的易磁化轴方向。/pp　　目前对于金属内部化学成分、相含量和晶粒度的研究，大多结合金属材料的金相组织分析进行，虽然得出了MBN信号与相含量相关的定性规律，但是实际工程中通过MBN信号来反向估测相含量的应用或仪器甚少。主要原因在于：/pp　　①MBN信号受多种因素的影响，相含量改变往往伴随着其他影响因素的改变，缺乏通用的定量结论来描述相含量与MBN之间的关系，若单从MBN信号来推测相含量往往精度不高，有失偏颇。/pp　　②在进行化学成分和含量检测时，往往需要通过和已知含量的标准试样MBN信号进行参考比对，实际工程中获取一致的标准试样难度较大。/pp　　strong(4)材料硬度测量/strong/pp　　为了探究由温度变化引起材料硬度不同对MBN信号的影响，2003年，英国的V.Moorthy等研究人员将En36钢加热至不同温度(192℃~900℃)后进行MBN检测实验。结果表明En36钢的MBN信号对材料温度的变化十分灵敏，材料温度越高，其表面硬度越小，测得的MBN信号幅值越大，实验中可检测到的MBN信号的最大深度为425& #956 m。材料热处理后的冷却速率对硬度的影响也较大。2012年，巴西的F.A.Franco等研究人员探究了冷却速率对MBN信号的影响，用顶端淬火的方法设计出材料中不同区域的不同冷却梯度，指出材料冷却速度越快MBN信号越弱。/pp　　国外许多学者都总结得到材料硬度越大MBN信号越弱这一结论，这对于材料硬度测量有很好的指导作用。由于MBN技术只能检测材料表面硬度，而对内部不同的硬度梯度无法进行有效检测，因此无法实现材料内部深度较大区域的硬度检测。/pp　　strong(5)材料表面处理工艺评价/strong/pp　　德国弗劳恩霍夫研究所在金属表面处理和表面残余应力的MBN研究方面有较为显著的成果。2009年利用MBN对不同热处理的合金进行了微残余应力的检测研究，重点比较了室温(20℃)和居里温度(230℃)下残余应力趋于饱和时MBN信号之间的差异，发现材料处于居里温度下的MBN信号远小于室温下的MBN信号。2011年，通过MBN设备对齿轮表面质量进行检测，通过表面(50& #956 m内)MBN信号的特征，推断出材料表面硬度和硬化层深度。/pp　　芬兰的Suvi Santa-aho等研究人员近年来将研究方向聚焦在探究铁磁性材料表面激光加工工艺和MBN信号的关系上，分析了硬化钢渗碳层深度、残余应力等表面质量与激光工艺之间的关系，提出了避免材料重淬火和应力饱和的铁磁性材料表面控制热损伤的技术。/pp　　MBN技术是评价材料表面加工工艺的有效方法之一。目前，通过MBN技术进行表面处理工艺的检测已有成熟的商业化设备，已经应用于一些金属零部件的表面加工工艺检测中，如芬兰Stresstech公司的Rollscan 300检测仪可实现对材料表面加工工艺、残余应力的检测。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201607/insimg/ef0dccfa-f27f-4b09-9fa8-ff5b5743963f.jpg" title="640.webp (2).jpg"//pp style="text-align: center "Rollscan 300表面质量检测仪/pp　strong　span style="color: rgb(255, 0, 0) "2. 国内研究现状/span/strong/pp　　国内对MBN技术的研究始于20世纪80年代中期，近年来开展MBN信号研究的机构主要有南京航空航天大学、北京化工大学、上海交通大学、沈阳工业大学、吉林大学等。/pp　　1988年，原北京钢铁学院的穆向荣等研究人员开展了对双相钢的MBN效应的研究，指出利用MBN技术，可以实现对材料组织结构和组织性能的研究。1994年，华中理工大学的马咸尧等研究人员研究了MBN效应受应力影响的规律，还将MBN技术和磁声发射(MAE)技术进行了对比，指出MBN信号特征依赖于铁磁材料的组织结构和应力状态，拉应力降低了MAE信号强度，而增加了MBN信号强度 压应力可降低MBN信号强度，提出将两效应结合测量，既可提高测量拉应力的灵敏度，又可判别应力的正负值。/pp　　2003年，上海交通大学的陈立功等研究人员开始研制MBN传感器及信号采集处理系统，研究了残余应力和MBN信号的关系，建立了结合虚拟仪器技术的MBN残余应力检测系统，利用该系统进行了铁磁材料热处理后残余应力的分析，指出热处理后的板材MBN强度呈下降趋势。2008年，他们改进了针对各向异性及非均匀残余应力的MBN传感器。/pp　　从20世纪90年代初至今，北京化工大学的祁欣等研究人员持续开展了巴克豪森效应在残余应力检测、硬度和晶粒度分析、相含量的检测及疲劳寿命的预测这四个方面的研究，结果指出：在利用MBN效应进行铁磁性材料内部应力的测量时，激励信号不能过大，否则材料处于饱和磁场中时，会降低MBN信号对内部应力变化的敏感度。2011年，他们设计了抗干扰、输出信号信噪比高的MBN传感器。/pp　　南京航空航天大学的王平等研究人员于2008年开始对MBN现象进行研究。2010年，提出了在高速运行条件下，利用MBN效应，用直流电源作为线圈的激励信号来进行钢轨应力检测。2011年，比较了三角波和正弦波对MBN信号的影响，总结出用三角波作为激励信号时MBN信号的特征值呈现出更好的线性度。2012年，研制了第一代便携式MBN铁轨应力检测仪。2013年，将BP神经网络算法引入了MBN信号处理中，得到应力测量值和真实值的平均误差为1.0618%，检测可靠度较高。2015年，丁松提出了一种名为“偏度skweness”的新的MBN信号特征值评估方法，利用该方法可以获得比均方根电压(RMS)评价法更多的MBN信息。/pp style="text-align: right "　　节选自《无损检测》2016年第38卷第7期/pp style="text-align: right "本文作者：沈功田，博士，研究员，博士生导师，中国机械工程学会无损检测分会主任委员、中国特种设备检测研究院副院长，主要研究方向为声发射、红外和电磁等无损检测新技术。/ppbr//p