一种脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法与流程

本发明涉及材料力学技术领域，特别涉及一种脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法。

背景技术：

疲劳性能是材料力学性能中评价材料失效的主要性能指标。目前，材料的疲劳性能的提高具有很多方法，而磁处理作为一种新兴的提高材料疲劳性能的技术，能够提高钎杆服役寿命、提高轴承钢的接触疲劳性能、提高AISI 4140钢的疲劳寿命、提高低碳钢的疲劳寿命等。磁处理对于不同材料均有一定程度的改善疲劳性能的作用，磁处理能够改善材料疲劳性能的机理国内外研究者虽有一定的阐述，但也是刚刚起步，尚未成形，因此机理研究还需进一步的探索。

脉冲磁场调节作用于铁磁性材料的脉冲磁场特征参量，能够显著降低材料在加工过程中产生的残余应力，提升材料的疲劳性能。工艺研究表明，脉冲磁处理(2.25T/5Hz)，可以明显提高碳含量较低的材料55SiMnMo使用寿命，而碳含量较高95CrMo材料的寿命提高有限；显著降低低碳钢焊接接头的腐蚀速率。同时，当磁场方向垂直于残余应力的最大主应力方向时，残余应力的降低最为明显，而对焊缝进行同一方向的磁电复合处理之后，应力下降水平更为显著。美国Innovex公司研制了脉冲磁处理装置，实现了刀具残余应力的松弛，处理后刀具的寿命可提高20％～50％。

脉冲磁场材料改性的机理研究还处于探索阶段，这方面的研究集中在微观尺度，以晶粒、位错、磁畴的耦合作用为出发点。磁处理过程中的磁致振动在材料中引发的应力水平较低，难以通过类似于应力松弛来解释磁处理后残余应力降低的现象，因此目前认为晶粒尺度上磁致伸缩的不均匀性使得原始晶界发生移动，位错迁移后重新排布，减少了晶格畸变，释放第二类残余应力，即微观应力，导致宏观上残余应力的下降。

现有齿轮制造强化工艺按强化内因，主要分为两类：材料相变/改性强化与应变强化。

相变/改性强化，指齿轮整体或强化层材料经历高温冷却过程，通过材料相变或强化元素引入，生成强度/硬度较高的相组织或硬质颗粒。此类工艺需要经历高温相变-快速冷却过程，原有组织(如锻造流线组织)易受到破坏、冷却不均匀造成内应力较大、温度控制不当易生成有害相、变形控制难度大等问题突出。虽然表面淬火(如感应、激光、电子束淬火等)有助于改善变形，然而高温-快冷的方式仍造成局部应力集中、工艺控制精度不高等问题。

应变强化工艺，指齿轮表面在室温下经历一定塑性变形，通过应变强化实现屈服强度提高，并引入适当的压应力。这类工艺有效避免了温度变化引起相变的问题，然而存在强化层难以有效控制(喷丸、超声喷丸)、强化效率低(激光喷丸、超声挤压)、设备昂贵(激光喷丸)、粗糙度差等问题。

重载齿轮高端制造技术始终是国内外工业界、军工部门、研究机构的重点内容之一，近20年一批新的技术不断发展并工程应用，如真空渗碳+高压气淬、激光喷丸、双频感应淬火等。美国齿轮制造协会(AGMA)2010年北美热处理年会(ASM Heat Treat Society Meeting)中提出，齿轮高端制造强化技术必须满足以下特点：保持或生成优异的微观组织，精确控制应力演化与最终状态，最小化变形，具有可适应性的效率等。近年来随着强磁场技术与材料技术的迅猛发展，在传统热、力等强化驱动力外，脉冲磁场为齿轮高端制造强化提供了一种全新的方法，可有效避免上述工艺的缺点，有着明显的优势和巨大的潜力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，探究磁场作用于材料的疲劳性能的影响机制，为以后较为复杂的20Cr2Ni4A齿轮钢零件进行磁场处理的性能奠定了基础。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种脉冲磁场处理对传动齿轮弯曲疲劳性能影响的分析方法，包括：

对多组试样分别进行不同场强的磁处理；

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行弯曲疲劳寿命试验；

对比不同场强和未经磁处理的试样的平均疲劳寿命。

优选的，所述分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行疲劳寿命试验，包括：

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行接触疲劳寿命试验或弯曲疲劳寿命试验。

优选的，所述分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行疲劳寿命试验，包括：

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样在不同载荷情况下进行接触疲劳寿命试验；

所述接触疲劳寿命试验包括：同一载荷情况下，进行10次平行实验，平均以获得接触疲劳寿命的统计结果。

优选的，所述对多组试样分别进行不同场强的磁处理，包括：

分别以1T、2T、4T和6T的场强磁处理所述试样，每组试样的脉冲磁处理次数均为10次。

优选的，在所述对比不同场强和未经磁处理的试样的平均疲劳寿命之后，还包括：

采用疲劳性能达到最优状态场强下的试样作为磁处理之后的试样和未进行磁处理的试样进行疲劳强度的对比。

优选的，还包括：

采用Basquin方程式，对数据进行拟合，最后得到寿命和应力曲线。

优选的，还包括：

利用最小二乘法对试验数据进行拟合处理，对比试样在0T场强下和在最优状态场强下的疲劳极限。

优选的，在所述对多组试样分别进行不同场强的磁处理之前，还包括：

制备三点弯曲疲劳试验试样。

优选的，所述制备三点弯曲疲劳试验试样，包括：试样从原始棒料中采用线切割的方式加工制备成三点弯曲疲劳试验试样

优选的，在上述经过线切割完的三点弯曲疲劳试验试样，全部进行渗碳处理。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，得到了以下结论：

1、在应力为447MPa时，对场强为0T、1T、2T、4T、6T的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行三点弯曲疲劳寿命试验，试验数据显示，在场强为6T时，试样的疲劳寿命值可以达到14万周次，较没有磁处理的试样提高12万周次，即场强为6T时，疲劳试验的试样疲劳寿命值最大。

2、将场强为6T的疲劳试验试样与场强为0T的试样进行疲劳强度的计算，在四种应力水平下进行三点弯曲疲劳试验，测得疲劳寿命数据，然后利用Basquin方程式，得出试样的疲劳寿命数据和应力最大值呈线性关系，并对应力值和疲劳寿命数据进行最小二乘法拟合处理，求得场强为6T的疲劳试样的疲劳极限比0T的试样疲劳极限提高了31MPa。

3、分析了磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的疲劳性能影响机理，从微观角度分析，提出位错的影响机制，磁场作用于铁磁性材料时，会有一个由磁致伸缩引起的力作用于材料内部的位错，而这个力实际上是磁场对于位错的推动力，在该力的作用下，位错源不断增殖，位错阻力因此也变得越大，从而使得材料的疲劳性能得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的接触疲劳实验机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的拉伸后和磁处理后试样残余应力变化值；

图3为本发明实施例提供的喷丸后和磁处理后试样残余应力变化值；

图4a为本发明实施例提供的磁处理前试样1000×金相组织；

图4b为本发明实施例提供的磁处理前试样500×金相组织；

图5a为本发明实施例提供的磁处理后试样1000×金相组织；

图5b为本发明实施例提供的磁处理后试样1000×金相组织；

图6a为本发明实施例提供的磁处理前晶粒；

图6b为本发明实施例提供的磁处理后晶粒；

图7a为本发明实施例提供的磁处理前晶粒取向；

图7b为本发明实施例提供的磁处理后晶粒取向；

图8a和8b为本发明实施例提供的磁处理之前的位错结构；

图8c和8d为本发明实施例提供的磁处理之后的位错结构；

图9为本发明实施例提供的磁处理前后XRD光谱；

图10为本发明实施例提供的处理前后位错密度变化；

图11为本发明实施例提供的热处理工艺示意图；

图12a为本发明实施例提供的0T下的晶粒组织形貌；

图12b为本发明实施例提供的1T下的晶粒组织形貌；

图12c为本发明实施例提供的4T下的晶粒组织形貌；

图12d为本发明实施例提供的6T下的晶粒组织形貌；

图13a为本发明实施例提供的0T下的能谱分析图；

图13b为本发明实施例提供的1T下的能谱分析图；

图13c为本发明实施例提供的4T下的能谱分析图；

图13d为本发明实施例提供的6T下的能谱分析图；

其中，1—电机；2—温度传感器；3—传送带；4—速度传感器；5—驱动轴；6—加载臂；7—齿轮形卡具；8—实验腔；9—扭转传感器；10—机座；11—速度传感器；12—砝码；13—试样；14—11球对磨轴承；

图14为本发明实施例提供的不同磁场强度下试样的平均疲劳寿命；

图15为Frank-Read位错源机制示意图。

具体实施方式

20Cr2Ni4A重载齿轮的常用材料，对于重载齿轮来说，疲劳性能是其影响较大的力学性能之一。重载齿轮在工作时，齿根部位具有很大的弯曲应力，其弯曲应力已经高于材料能承受的弯曲疲劳极限，此时变会产生弯曲疲劳失效现象。而提高齿轮弯曲疲劳失效的方法有很多，如提高齿轮材料的强度，增加齿根圆弧的半径大小，增大齿轮的齿数，通过喷丸、超声表面滚压处理等方法来提高齿轮的弯曲疲劳性能。

而本文对一种新型的提高齿轮力学性能的方法磁处理展开研究。通过重载齿轮的常用材料20Cr2Ni4A，首先进行试样的研究。在经过第三章磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的研究和第四章不同磁处理参数对20Cr2Ni4A齿轮钢试样微观组织的影响研究之后，在本文同样是设置不同的磁处理参数，研究磁处理在不同场强下对试样弯曲疲劳性能的影响。因为疲劳数据离散度相对来说比较大，所以，在对疲劳寿命数据处理时，根据不同的场强下的寿命数据和一定的疲劳理论支撑，来分析磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样弯曲疲劳性能的影响。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，包括：

对多组试样分别进行不同场强的磁处理；

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行疲劳寿命试验；

对比不同场强和未经磁处理的试样的平均疲劳寿命。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，因为疲劳数据离散度相对来说比较大，所以，在对疲劳寿命数据处理时，根据不同的场强下的寿命平均数据和一定的疲劳理论支撑，来分析磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样弯曲疲劳性能的影响；探究磁场作用于材料的疲劳性能的影响机制，为以后较为复杂的20Cr2Ni4A齿轮钢零件进行磁场处理的性能奠定了基础。

作为优选，所述分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行疲劳寿命试验，包括：

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行接触疲劳寿命试验或弯曲疲劳寿命试验。即从不同方面进行分析，经过实验证明，通过磁处理后，不仅弯曲疲劳强度提高，而且接触疲劳强度提高。

在本实施例中，所述分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样进行疲劳寿命试验，包括：

分别对不同场强磁处理和未经磁处理的试样在不同载荷情况下进行接触疲劳寿命试验；

所述接触疲劳寿命试验包括：同一载荷情况下，进行10次平行实验，平均以获得接触疲劳寿命的统计结果。

具体的，采用陆军装甲兵学院的YS-2型滚动接触疲劳试验机测试试样抗接触疲劳性能，该实验机设备结构组成如图1所示。试验机装有速度传感器，振动传感器，载荷传感器，扭转传感器。试验机采用11滚珠的GCr15球轴承作为配对摩擦副，在充分油润滑的条件下监测试样表面的点接触疲劳损伤过程。加载方式为杠杆加载，通过赫兹公式计算本次实验的最大赫兹接触应力为1.9531GPa。转速受驱动电机控制，采用速度传感器监测，实验转速为2500r/min。首先，将试样固定在一个具有齿轮边缘的夹具上，采用11球轴承作为配对摩擦副。轴承球直径为11mm，材料为GCr15钢(AISI 52100钢)，表面粗糙度为0.012μm，洛氏硬度为60HRC。在接触实验过程中，使用四个不同的传感器监测实验过程。振动传感器用于监测实验过程中振幅的变化，振幅输出信号可以间接反映接触疲劳实验中试样的失效程度。如果振幅波动较大，而且连续超过某一设定临界值，就可认为试样己经疲劳失效；速度传感器，用于测定实验过程中轴承的转动速度；温度传感器，主要用于监测实验过程中试样表面附近区域的温度变化。正常情况下，试样接触表面的温度随着实验时间的延长而增加。但是如果试样发生了接触疲劳失效，由于润滑油在失效区域的停滞效应，试样表面的温度发生较大程度的波动；扭矩传感器，主要监测试样夹具的固定程度。如果扭矩传感器的显示值超过了某一个临界值时，实验机将会自动停机。对于不同的实验材料，这个临界值不同。所以需要通过大量的实验，来确定扭矩临界值。本文采用振动传感器的输出信号，作为判定试样失效的依据。当计算机采集的振幅信号连续20次超过某一临界值，将停止实验。实验中，采用计算机软件对四个传感器的输出信号进行实时跟踪。实验载荷通过加载，载荷大小为1000N。由于实验结果具有很大的分散性，所以同一载荷情况下，均进行10次平行实验，以获得统计结果，如表1所示。每次实验结束时，更换11球轴响规律。

表1、磁处理前后20Cr2Ni4A渗碳钢的接触疲劳寿命

进一步的，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，还包括：脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法；

该脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法包括：

为多组试样引入残余应力，并测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；

对引入残余应力之后的试样进行磁处理，并测试经过磁处理之后的试样的残余应力值；

得到多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围；

比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，得到和比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，即从对残余应力的分布变化的研究，为脉冲磁场处理对金属零件影响提供了全新的角度，在磁处理后材料的残余应力降低的基础上，为进一步的定性分析奠定了基础，为脉冲磁场对金属零件的强化机制提供了有力的理论支撑。

具体的，前述比较多组试样的残余应力值在磁处理前后的分布范围，定性分析脉冲磁场处理对试样残余应力的影响，包括：

若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力均匀化。由图2可以看出，试样经过磁处理之后残余拉应力值明显下降，且残余拉应力值的范围由103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，也就是说磁场对于材料的不只是残余应力值的下降，对于残余应力的变化范围也有明显的缩小，即残余拉应力值较磁场处理之前分布更均匀。

进一步的，所述若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则判定脉冲磁场处理能够使试样残余应力均匀化，包括：

若多组试样的残余应力值的分布范围，在磁处理之后小于磁处理之前，则进一步计算多组试样的残余应力的峰谷值，且计算磁处理后峰谷值与磁处理前峰谷值的百分比值，并判定脉冲磁场处理能够使试样的残余应力得到上述百分比值程度的均匀化。如图2所示，残余拉应力值的范围缩小由相差103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，均匀化50％。即本方案还进一步对脉冲磁场处理对试样残余应力的均匀化进行定量分析，对残余应力调控技术起到指导作用。

1.1脉冲磁场处理对20Cr2Ni4A残余应力性能的研究

20Cr2Ni4A齿轮钢强化之后，虽然齿根表面应力大幅度提高，但是仍然存在应力分布不均匀、局部残余应力过高的情况，对齿轮的疲劳性能具有很大的影响。

因此本文想要通过磁处理技术初步探索其对20Cr2Ni4A齿轮钢残余应力的影响，表面压应力和表面拉应力局部集中都会造成齿轮的疲劳性能受损，因此，本文设计了两个引入残余应力的试验，在经过两个试验之后，采用X射线衍射仪测试其残余应力值的变化，然后进行6T的脉冲磁处理，再采用X射线衍射仪测试脉冲磁处理之后的残余应力的变化值。

因此，在本实施例中，所述为多组试样引入残余应力，包括：

为多组试样引入残余压应力或残余拉应力。

1.1.1试验材料及尺寸

磁处理采用的材料是喷丸试验和拉伸试验的材料，均为从原始棒料中经过线切割加工后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样。

为了研究磁处理对试样残余拉应力的影响，引入拉伸试验，使试样产生一定的残余拉应力，根据GBT228-202拉伸试验国家标准等，设计了拉伸板材试样；为了研究磁处理对试样残余压应力的影响，引入喷丸试验，使试样产生一定的残余压应力，其中用于喷丸试验的试样尺寸设计为直径50mm、高6mm的圆柱体试样。

1.1.2拉伸试验引入表面残余拉应力

具体的，所述为多组试样引入残余应力，包括：通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力；

所述通过拉伸试验为多组试样引入残余压应力，包括：

为了使材料内部产生一定的残余拉应力且控制材料不得到破坏，设置了5个应力集；由于20Cr2Ni4A材料的伸长率为13％，因此通过控制材料的伸长率来设置5个残余拉应力集，即材料的伸长率为4％、6％、8％、10％和12％时停止拉伸试验；在进行拉伸试验之前对试样进行残余应力测试，然后根据测试的残余拉应力值对试样从小到大进行编号；

其中，试样分为5组，总共30个试样，标号从1到30，6个为一组，第一组试样(标号1到6)拉伸率为4％，第二组试样(标号7到12)拉伸率为6％，第三组试样(标号13到18)拉伸率为8％，第四组试样(标号19到24)拉伸率为10％，第五组试样(标号25到30)拉伸率为12％时停止试验。当然，拉伸试验的方式并不仅仅局限于此，还可以调整参数，在此不再赘述。

1.1.3喷丸试验引入表面残余压应力

所述为多组试样引入残余应力，包括：通过喷丸试验为试样引入残余压应力；

所述通过喷丸试验为试样引入残余压应力，包括：

为了使材料内部产生一定的残余压应力，设置了5个应力集；其中，通过控制喷丸工艺参数即喷丸强度、喷丸处理的时间来引入5个不同的应力集；在进行喷丸处理之前对这30个试样进行残余应力测试，然后根据残余压应力的值从大到小进行编号；

将试样分为5组，总共30个试样，每组6个试样。标号从1到30，喷丸表面覆盖率均为100％，喷丸的材料为强度高使用寿命长的钢丝切丸。且第一组试样(标号为1到6)的喷丸强度为0.170A，处理时间为2min，第二组试样(标号为7到12)的喷丸强度为0.186A，处理时间为2.5min，第三组试样(标号为13到18)的喷丸强度为0.209A，处理时间为3min，第四组试样(标号为19到24)的喷丸强度为0.228A，处理时间为3.5min，第五组试样(标号为25到30)的喷丸强度为0.248A，处理时间为4min。

1.1.4对拉伸和喷丸之后的试样磁处理

磁处理是本文的主要支撑试验，即研究经过磁处理的20Cr2Ni4A试样的残余应力和微观组织的变化。

对引入残余应力之后的试样进行磁处理，包括：

在对试样经过拉伸处理和喷丸处理之后，将每组试样再分组，即分为每组3个试样，然后3个一组放入脉冲磁场试验机进行磁处理，总共处理10组；其中，10组试样磁处理参数一致，即其场强均为6T，脉冲磁场放电10次。

1.1.5磁处理前后试样残余应力表征

所述测试引入残余应力之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试引入残余应力之后的试样的残余应力值；

和/或，所述测试经过磁处理之后的试样的残余应力值，包括：采用X射线衍射仪测试经过磁处理之后的试样的残余应力值。

经过拉伸之后的试样经过X射线衍射仪测得残余应力值如表2所示，表中数据显示，经过拉伸之后的试样符合拉伸试验的规律，残余拉应力值增大。经过喷丸处理过的试样残余应力值如表2所示，表中数据显示，经过喷丸处理后的试样符合喷丸处理的规律，残余压应力值明显增大。

表2拉伸前后试样残余应力值

表3喷丸前后试样残余应力值

由表2可知，随着伸长率的增大，试样的残余拉应力也在增大，且通过设置不同的伸长率来控制试样内部产生的残余拉应力，使得试样最终产生的残余拉应力不会有太大的偏差。由于实验数据具有一定的离散性，因此会有一定的误差存在，但在误差允许范围内试样最大的残余拉应力变化值是在伸长率为12％时，残余拉应力变化值为367.7MPa。经过测试，最终30个试样的残余拉应力值最小为100.3MPa，最大为178.6MPa。

由表3可知，随着喷丸强度的增大和喷丸处理时间的延长，试样的残余压应力不断增大，且通过设置不同的喷丸处理参数来控制试样内部产生的残余压应力，使得最终30个试样的残余压应力数值不会有太大的偏差。且残余压应力最大变化值在喷丸强度为0.248A，处理时间为4min时，其变化值为613.4MPa。经过测试，最终30个试样的残余压应力最小值为610.6，最大值为686.9MPa。

脉冲磁场处理能够降低工件的焊接残余应力，焊接件的残余应力以残余拉应力居多，而脉冲磁场处理能够降低模具钢的残余应力，也是以残余拉应力为主，即以往的研究者均对试样的残余拉应力展开一定的研究，研究磁场处理对试样残余拉应力的影响。

而工件在经过一定的强化工艺后，能够使试样内部迅速获得一定量的残余压应力，材料的受强化部位残余压应力明显提高，在提升疲劳性能的同时，又存在应力集中的问题，因此本文在对试样进行磁处理时，还需对试样进行磁处理前后的残余压应力测试。即在经过拉伸和喷丸处理之后，对试样进行脉冲磁场处理，控制磁处理参数，使得试样经过一致的磁处理条件，最终利用X射线衍射仪对试样进行残余应力测试，结果如图2所示和图3所示。

由图2可以看出，试样经过磁处理之后残余拉应力值明显下降，且残余拉应力值的范围由103-185Mpa(差值82MPa)，缩小到93-135Mpa(差值42MPa)，也就是说磁场对于材料的不只是残余应力值的下降，对于残余应力的变化范围也有明显的缩小，即残余拉应力值较磁场处理之前分布更均匀。而对残余压应力也有类似的现象，由图3可以看出，经过喷丸的试样在磁场的作用下，残余压应力值具有明显的下降趋势，残余压应力值的范围由原来的610MPa～690MPa左右变成590MPa～625MPa左右，最大残余压应力值和最小残余压应力值差距明显缩小。

众所周知，残余压应力可以一定程度的抑制材料的疲劳，但是不恰当的残余压应力，比如应力集中现象依然可以促使疲劳现象产生，因此，适当的残余压应力的提高是有益于材料的疲劳性能，而残余拉应力不管任何时候都是可以降低材料的疲劳性能。

因此，由图2和图3可知，磁处理对于残余拉应力和残余压应力的降低均有一定的作用。即磁处理能够降低试样的残余拉应力，提高试样的疲劳性能，且对于残余压应力值提高较为突出的材料，依然可以通过磁处理使材料在一定程度上降低残余压应力，实现材料内部的应力均匀化，从而不会加剧材料的疲劳，提高材料的疲劳寿命。

1.2脉冲磁场处理对20Cr2Ni4A残余应力影响的机理研究

本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件残余应力影响的分析方法，还包括：

从微观角度分析残余应力值的变化。

所述从微观角度分析残余应力值的变化，包括：

从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究；利用光学显微镜对试样进行金相组织的观察、透射电镜进行位错组织的观察、X射线衍射仪进行相成分的观察、电子背散射衍射仪进行晶粒观察，表征经过脉冲磁处理之后的微观组织变化。最后，初步探索出脉冲磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响机理。

1.2.1 OM显微组织变化

微观组织决定了材料的力学性能，即研究残余应力的变化需要从微观角度分析0T和6T的20Cr2Ni4A试样的变化。而金相组织是认识材料的开始，为了研究磁处理对材料残余应力影响的机理，首先从观察显微组织开始。

通过20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相分析可以观察到其微观组织变化。对未经过磁处理的试样进行4％硝酸酒精溶液腐蚀之后，在光学显微镜下观察试样的显微组织变化，结果如图4a和图4b所示。图中显示，在0T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的主要组织为板条马氏体+残余奥氏体组织。

而同样用4％的硝酸酒精溶液对6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行腐蚀，在光学显微镜下观察其微观组织变化，结果如图5a和图5b所示。

图中显示，在6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相组织为板条状马氏体+残余奥氏体组织。其中，板条马氏体又叫低碳马氏体，如图4a和图4b所示主要呈互相平行的板条状，形状较为细长，而残余奥氏体则不像板条马氏体一样有固定的形态，通常表现为无固定的形态。图4a、4b、5a和5b表明，经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的金相组织和没有经过磁处理的基本没有发生变化。也就是说，在光学显微镜下观察的显微组织不足以研究磁处理对试样残余应力的影响机理，因此，本文采用电子背散射衍射仪来定量的分析磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的微观组织的晶粒大小和晶粒取向的变化。

1.2.2 EBSD晶粒组织变化

EBSD又叫电子背散射衍射仪，其是在扫描电子显微镜下的一种衍射仪，在材料的微观组织结构分析中得到了广泛的应用。在电子背散射衍射仪出现之前，测量材料的晶粒尺寸主要靠晶界的观察，而电子背散射衍射仪的出现可以测量试样中每一个点的取向，从而得到试样的晶粒取向差，因此，电子背散射衍射仪成为晶粒尺寸和取向差测量的常用技术。

而在上一小节中应用了光学显微镜观察了试样的显微组织，并不能定量的得出试样的晶粒大小变化。因此，本节采用电子背散射衍射仪对0T场强下的试样和6T场强下的试样进行晶粒大小和取向的定量分析。

众所周知，晶粒的大小在材料性能的影响中是显著的，因此为了研究20Cr2Ni4A齿轮钢试样磁处理前后残余应力变化的机理，需从晶粒着手。而晶粒越细，那么材料的各种性能也就会越优良，这也就是我们常说的提高材料性能的一个常用手段即晶粒细化。

所以，为了验证齿轮钢试样经过磁处理之后残余应力降低的原因是否为晶粒细化，我们采用EBSD对试样进行分析，结果如图6a和图6b所示。图5a所示为0T场强下20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EBSD分析图，图6b所示为6T场强下20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EBSD分析图。图6a中可以看出长条状马氏体(一种晶体结构，颜色代表马氏体排列方向的不同)，经过磁处理之后图6b可以看到条状变为点状，晶粒尺寸减小，颜色变得更分散，说明晶粒分布更均匀。其中从图中可以明显的看出，经过磁处理之后的试样晶粒尺寸明显减小。在磁处理之前试样的晶粒尺寸为2.098μm，而在磁处理之后试样的晶粒尺寸减小至1.268μm。也就是说在经过磁处理之后，残余应力下降的原因和晶粒尺寸减小有关。在试样经过磁场的磁化作用后，材料内部发生一定的塑性变形，使得材料内部存在的板条马氏体晶粒发生明显的细化现象，然后晶粒发生破碎，在一定单位体积的晶体中晶界的面积便增大，从而使得晶间更便于转动，最终使得材料的疲劳裂纹扩展速率降低。

根据晶粒尺寸与屈服点的关系有Hall-petch(3.1)公式等得，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度就越高，也就是说材料抵抗滑移的能力就越大，即疲劳裂纹在晶粒之间的萌生速率减慢，阻力增大，进而提高了材料的弯曲疲劳性能。也就是常说的细晶强化，20Cr2Ni4A在经过脉冲磁场处理之后，晶粒变小，产生细晶强化，从而使材料的屈服强度变高。而细晶强化则可以简单地理解为晶粒变小之后，晶界增加，从而使得材料阻止位错的运动增强，即位错运动的阻力增大，从而使得材料的强度提高。

式中，d为晶粒直径，σ0为位错运动时产生的摩擦力，σs为材料的屈服强，K为一个和材料自身相关的常数。

晶粒大小是影响20Cr2Ni4A齿轮钢试样力学性能的一个原因，而晶粒间的取向差同样也会对材料疲劳裂纹的扩展有一定的影响。因为塑性变形是由具有最大临界切应力的密排平面上的滑移运动引起的，所以不同晶粒间的取向也会对材料的塑性变形产生影响。晶粒间取向差的增大，使得晶界能增大，材料的裂纹扩展阻力更大，而且，取向差大小决定了晶界能的高低，大小角度晶界都会对材料的疲劳性能产生影响，但是大角度晶界越多，阻碍裂纹扩展就更有效，因为大角度晶界在改变裂纹扩展途径中频率会变大等。

磁处理前后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的晶粒取向分布如图7a和图7b所示，从图中可以看出，磁处理之后的试样大角度晶界比率高于磁处理之前。

综上所述，不管是从晶粒大小还是晶粒取向差来研究磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力影响，都能够解释经过磁处理之后的试样残余应力更低，力学性能更优良。

除了材料的晶粒大小和晶粒取向差之外，位错密度也是影响材料力学性能的主要因素，因此，为了探究磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢残余应力影响的原因，下一步利用TEM观察试样的位错结构。

1.2.3 TEM位错组织变化

磁处理之后的材料之所以会晶粒细化，是因为材料内部的位错滑移、增殖和缠结。位错是一种典型的线缺陷，它实际上是一种介于晶体的滑移区和非滑移区的分界线，且其对材料的力学性能具有很大的影响。

因此，本文采用透射电子对磁处理前后的试样观察位错组织变化。而且，由于TEM测试需要电子束可穿过样品，因此其制样的过程较为复杂，样品要求较薄，因此在测试之前的试验方案中，0T试样和6T试样数量较之前测试多，最终从中找出最合适的样品在透射电镜下观察。

TEM结果如图8a、图8b、图8c和图8d所示，从图中可以很明显的看出，在磁处理之前20Cr2Ni4A齿轮钢试样在透射电镜下显示的表层主要存在板条状马氏体组织，且位错密度整体较低，位错形貌较为单一，并且没有明显的位错缠结和位错塞积现象。但是经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样发生明显的位错缠结现象，试样的位错密度增大，大量位错存在于材料内部，且位错滑移和位错缠结现象较为明显。

对于位错增殖的解释可以用弗兰克-里德位错源机制，即材料受到磁场作用时，受磁场作用的位错力能够克服由位错线张力引起的力，也就是说，外加磁场可以驱动材料内部的位错源，从而使得位错倍增。

脉冲磁场对于20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响因素之一即位错结构，其影响机制可以解释为在脉冲磁场的作用下，给了晶体内晶格新的畸变动力，因此，在材料受到不断地磁场冲击下，打破了晶格原本的平衡态，材料内部发生了一定程度的晶格畸变，从而一种新的晶格缺陷——位错，便在材料内部产生，且随着位错的不断发展，逐渐发生增殖和滑移，位错缠结现象明显，材料内部的位错胞的密度增大，在这种情况下使得材料的残余应力降低，力学性能提高，从而使得材料得到强化。即脉冲磁场强化20Cr2Ni4A齿轮钢试样的强化机制有位错强化的理论支撑。

1.2.4 XRD位错密度变化

位错组织在透射电镜下能够观察到在经过磁处理之后，试样发生了明显的位错缠结现象，但是并不能通过数据直观地观察磁处理前后的位错密度变化，因此本节通过X射线衍射仪对磁处理前后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行测试，得到磁处理前后的XRD光谱，并通过公式计算得出试样的位错密度，更直观地表征磁处理之后的试样的位错密度变化。

经过磁处理前后的XRD光谱图如图9所示。从图中可以看出，经过磁处理之后的试样衍射峰的位置变化并不明显，也就是说，在经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样没有新的相生成，但是与位错密度有关的衍射峰的半高宽即FWHM发生了变化。

因此，为了研究经过磁处理之后的齿轮钢试样位错密度的变化，对3个晶面(110)，(220)和(200)对应的3个衍射峰的半高宽进行公式计算。由Dunn公式，如式(3.2)所示，对磁处理前后的位错密度进行计算分析。

公式中β表示的是衍射峰的半高宽，b表示的是Burgers矢量，D表示的是位错密度。

其中，FWHM的数值可以用积分法求得，即在求某个晶面对应的衍射峰的半高宽时，对该衍射峰的峰底做切线，用切线和半高宽形成的三角形的面积除以三角形的高度即得半高宽的值。

Burgers矢量与试样的材料本身属性有关，磁处理前后的试样的材料必然相同，因此其Burgers矢量可以当做常数，即材料的位错密度和FWHM的平方成正比。所以，材料位错密度的计算分析可以用XRD光谱图中衍射峰的半高宽来实现。

经过计算，将磁处理前后的3个晶面对应的衍射峰的半高宽的变化整理成图10所示。从图中可以很明显地看出，经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的位错密度增多，且在(220)晶面对应的衍射峰的FWHM变化最大，即其位错密度变化最显著。

综上所述，本文针对磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力影响，初步探讨了磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样残余应力的影响机理。其中，对残余应力的性能研究包括拉伸试验引入的表面残余拉应力和喷丸处引入的表面残余压应力，而对机理的分析主要从显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度展开研究，得到如下结论：

(1)试样经过拉伸试验和喷丸处理分别引入了一定量的表面残余拉应力和表面残余压应力，并分别设置了5个应力集。在X射线衍射仪的测试下，得到拉伸之后的试样最大残余拉应力变化值为367.7MPa，喷丸之后的试样最大残余压应力变化值为613.4MPa。在经过拉伸试验和喷丸处理的试样分组进行脉冲磁场处理，场强6T，脉冲放电次数为10次。磁处理之后的试样进行X射线衍射仪测试残余应力，发现残余拉应力的最大值和最小值之间差值降为50MPa，残余压应力的最大值和最小值之间的差值降为35MPa。即经过磁处理之后，残余拉应力和残余压应力都有降低，且分布更为均匀。

(2)利用光学显微镜对20Cr2Ni4A试样进行显微组织观察，发现主要组织为板条马氏体和残余奥氏体，且经过磁处理之后显微组织并没有明显的变化，即磁处理后材料没有新相生成。

(3)利用电子背散射衍射仪对试样进行晶粒组织观察，发现经过磁处理之后的试样材料内部的晶粒细化，且磁处理之后的晶粒大角度晶界占比高于磁处理之前，晶粒细化和大角度晶界占比高都是材料力学性能提高的原因，也是试样残余应力降低的因素。

(4)利用透射电子显微镜对试样进行位错组织观察，发现经过磁处理之后的材料内部的位错缠结现象明显，材料内部发生了一定程度的晶格畸变，位错胞的密度增大，从位错强化机制解释位错缠结、滑移及增殖对材料残余应力降低的影响。

(5)利用X射线衍射仪得到试样的光谱图，从图中可以看出，经过磁处理之后的试样并没有新的相生成，但是，所有晶面对应的衍射峰的峰宽具有一定的变化。经过公式计算分析，材料的位错密度和FWHM成正比例关系，然后通过柱状图来直观地对比材料在磁处理前后的位错密度变化，经过磁处理之后，材料的位错密度变化明显，呈明显增大的趋势，且在(220)晶面的位错密度变化最为明显。

本方案应用于金属零件残余应力均匀化技术，具有下列优势：

一.新型残余应力调控技术，无需接触零件或者材料表面，减少表面损伤萌生；

二.精准均匀化残余应力，将残余应力峰谷值控制在36MPa以内。

三.材料组织内部晶粒均匀、取向一致，但是造成位错增殖，进而实现残余应力均匀化。

四.不仅可以实现材料的残余应力调控，也可以调控以齿轮为代表的复杂异形零件。

进一步的，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对传动齿轮疲劳性能影响的分析方法，还包括：脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法；

该脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法，包括：

对多组试样分别进行不同场强的磁处理；

分别测试不同场强磁处理和未经磁处理的试样的微观组织数据；所述微观组织数据包括：晶粒组织的结构和形态，元素种类和含量；

根据微观组织数据分析不同场强磁处理对试样的影响。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的脉冲磁场处理对金属零件微观组织影响的分析方法，针对齿轮钢试样在不同磁场强度下的材料晶粒组织和材料内元素含量和种类测试，分析不同磁场强度下的材料微观组织的变化，为以后较为复杂的20Cr2Ni4A齿轮钢零件进行磁场处理的性能奠定了基础。

2.1试样微观组织测试

2.1.1试验样品制备

经过不同场强测试的试样均采用的是从没有进行热处理工艺的原始20Cr2Ni4A齿轮钢棒料中经过线切割加工成的长20mm、宽10mm、高15mm的长方体试样。

2.1.2试验方案设计

对不同磁场强度下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行微观组织测试的方案设计如下。

首先，所有的试样在进行微观组织测试之前，都要进行一定的热处理工艺即调质工艺，如图11所示，调质处理的目的是使20Cr2Ni4A齿轮钢试样具有较好的综合机械性能。

其次，对所有试验进行编号和分组处理。总共24个经过调质处理的20Cr2Ni4A齿轮钢试样，将这24个试样分为两大组，每组12个试样，其中，用于EBSD测试和EDS测试的试样分别分为4组，每组3个试样，四个不同的磁场强度作为分组的标志，分别为0T、1T、4T、6T，脉冲磁场放电次数均为10次。

最后，在进行晶粒组织测试以及元素种类和含量测试之前对所有试样使用抛光机进行抛光处理，降低试样的表面粗糙度，从而保证测试时的试样表面光滑平整。

2.2不同场强20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EBSD晶粒组织变化分析

EBSD是电子背散射衍射的简称，其在材料微观组织结构中的应用较为广泛，并能够将微观组织和晶体学的相关分析结合在一起，更精确地观察材料的组织。因此，为了观察不同磁场强度的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的晶粒组织，本文采用EBSD对材料进行晶粒形貌观察，而不采用透射电子显微镜的原因是，透射电子显微镜制样较为困难，测试速度以及准确度都要低于电子背散射衍射，较电子背散射衍射更为复杂。

在进行EBSD测试之前，对要测试的试样进行电解抛光，保证试样在测试时减少干扰因素，结果更准确。在四种场强0T、1T、4T、6T下的齿轮钢试样的EBSD测试结果如图12a、图12b、图12c和图12d所示。图中显示的所有晶粒中，同一个颜色的晶粒则代表同一个晶粒取向，比如蓝色表示的是和(111)方向平行的晶粒取向，绿色表示的是和(101)方向平行的晶粒取向，红色表示的是和(001)方向平行的晶粒取向。

从图12a、图12b、图12c和图12d中可以明显地看出，0T、1T、4T、6T场强下的晶粒组织结构和形态没有很大的变化，但是由EBSD测量结果可以得出，不同场强下的晶粒平均尺寸不同，其中，0T的晶粒平均尺寸为2.098μm，1T的晶粒平均尺寸为1.816μm，4T的晶粒平均尺寸为1.603μm，6T的晶粒平均尺寸为1.268μm。即经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样晶粒平均尺寸随着磁场强度的增大而减小，其中，在磁场强度为6T时，试样的晶粒平均尺寸最小。

经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的晶粒平均尺寸比没有磁场的作用下更小，是因为试样在磁场的作用下，材料内部的马氏体晶粒发生细化，晶粒破碎，晶界呈现增加的趋势。而在不同磁场强度下的晶粒尺寸不同，则说明不同磁场强度的晶粒和晶界的变化情况不同。磁场强度越大，磁场对于材料淬火冷却时奥氏体转变成马氏体的速度就越快，也就是说马氏体相变的驱动力就越大，从而使得马氏体的形核率增大，进而更慢地生长，因此，晶粒的平均尺寸便更小。

综上所述，磁场强度的增大有利于马氏体的形核率的增加，从而引起材料晶粒尺寸的减小。

2.3不同场强20Cr2Ni4A齿轮钢试样的EDS元素变化分析

在材料内部，所有元素都具有属于它自己的X射线特征波长，每个元素的X射线特征波长大小由能级跃迁过程中所释放的特征能量决定，EDS能谱仪就是利用特征能量的区别来分析元素。

因此，为了观察20Cr2Ni4A齿轮钢试样经过磁处理之后的元素种类和含量的变化，分析不同磁场强度下的材料非金属夹杂物的元素含量和种类的变化情况，分别对0T、1T、4T、6T场强下的试样进行EDS测试，进行元素种类和含量的分析，在测试之前，对测试的试样表面使用抛光机进行抛光处理，以降低试样的表面粗糙度，获得平整的表面。四个磁场强度下的齿轮钢试样的非金属夹杂物的元素种类和含量的变化如图13a、图13b、图13c和图13d所示。

从图13a、图13b、图13c和图13d不同磁场强度下的材料能谱分析图中可以看出，不同磁场强度下的试样元素含量和种类具有一定的差异。在0T场强下，材料内部以Fe和S元素为主，且S的元素含量占35.9％，Fe的元素含量占53.5％，Cr的元素含量占0.6％；在1T场强下，材料内部以Fe和Cr元素为主，Fe的元素含量占87.6％，Cr的元素含量占3.3％；在4T场强下，材料内部同样以Fe和Cr元素为主，Fe的元素含量占89.9％，Cr的元素含量占3.0％；在6T场强下，材料内部也是以Fe和Cr元为主，Fe的含量占90.7％，Cr的元素含量占3.1％。

测试结果显示，不同磁场强度下的试样材料内部的元素种类和含量具有一定的差异，随着磁场强度的增加，钢中Fe的含量一开始变化较大而后变化较小，Cr的含量变化较小，而S元素的存在是作为硫化物的非金属夹杂物。在0T场强下试样的Fe元素的含量增大的原因是非金属夹杂物的存在，以S元素为主的非金属夹杂物在未加磁场时，S相非金属夹杂物的含量较多，降低了材料的疲劳性能。而经过磁场的磁化作用后，非金属夹杂物的数量减少，钢材的塑韧性有所提高，Fe的含量增多，但是只是一定程度的增加，从1T磁场强度到6T磁场强度，Fe的含量增加的速度降低。

因此，脉冲磁场强度对于元素变化影响较小，但是元素变化与材料有没有进行脉冲磁场处理关联较大，即当脉冲磁场增加到一定强度时，并不会影响材料内部的元素种类，但是材料内部的夹杂物数量更少，这是由于在磁场的作用下，材料内部的位错密度增多，使得夹杂物的尺寸变得更小，从而使得材料内部的屈服强度和疲劳性能提高。

综上所述，本文针对脉冲磁场对20Cr2Ni4A齿轮钢试样在不同磁场强度下的材料晶粒组织和材料内非金属夹杂物的元素含量和种类进行EBSD测试和EDS测试。经过测试之后，得到以下结论：

(1)在初步探索脉冲磁场对20Cr2Ni4A齿轮钢试样能够减小材料内部晶粒尺寸的基础上，改变脉冲磁场参数，通过EBSD测试不同磁场强度下的材料内部晶粒尺寸的大小，测试结果显示，材料内部晶粒的平均尺寸随着脉冲磁场强度的增大而减小，主要是与材料的马氏体的形核率有关，脉冲磁场强度越大，材料马氏体相变的驱动力就越大，从而使得生长速度变低，材料的晶粒的平均尺寸因此而减小。

(2)在观察材料内部微观组织时，从材料元素含量和种类的变化角度出发，分析材料的性能受脉冲磁场的影响。通过EDS测试四个磁场强度下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的元素含量和种类，测试结果显示，不同磁场强度下的材料内部元素含量和种类并没有太大的差异，但是在0T的场强下元素种类和含量与1T、4T、6T的场强下材料的元素种类和含量有一定的差异，即材料的元素变化与磁场强度的大小没有太大的关系，但是与有无进行脉冲磁场处理有关，脉冲磁场处理之后，材料的内部位错密度变大，对于原来试样中存在的非金属夹杂物，其尺寸和数量变小，从而提高了20Cr2Ni4A齿轮钢的屈服强度，并且S相夹杂物的减少使得钢材的塑韧性得到提高。

本方案应用于金属晶粒取向与位错调控技术，具有下列优势：

一.新型材料组织性能调控技术，无需接触零件表面，减少表面损伤萌生；

二.时间短、速度快；

三.晶粒取向明显，位错均匀化。

弯曲疲劳寿命试验的方式如下：

3.1三点弯曲疲劳试验

3.1.1三点弯曲疲劳试验试样制备

三点弯曲试验是把试样的截面是矩形或者截面是圆形的材料，放置在弯曲装置上，然后调整试样在弯曲装置上的跨距，对试样施加一定的应力，进行弯曲疲劳试验。

本文所采用的弯曲疲劳试样是20Cr2Ni4A齿轮钢试样。试样从原始棒料中采用线切割的方式加工制备成三点弯曲疲劳试验试样，以减少因为加工方式导致疲劳性能测试效果不佳的问题，线切割加工完的试样根据GB/T4161-2007的相关规定设计成三点弯曲劳试样。

在上述加工方式下加工30根三点弯曲疲劳试验试样。

3.1.2三点弯曲疲劳试验方案设计

在上述经过线切割完的三点弯曲疲劳试验试样，全部进行渗碳处理，目的是提高20Cr2Ni4A齿轮钢试样的韧性，以便于进行弯曲疲试验。其中，渗碳热处理工艺见表4所示。

表4、20Cr2Ni4A齿轮钢试样渗碳热处理工艺

经过渗碳处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样，总共30个，将这30个试样分为5组，每组6个试样，且每组试样加载的载荷保持一致，每组试样的脉冲磁处理次数也一致，均为10次，但每组试样的场强不一样，分别为0T，1T，2T，4T，6T，即通过控制场强的大小来研究不同磁处理参数对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的弯曲疲劳性能。

根据GB/T232-2010的规定对三点弯曲疲劳试样进行装载。其中，加载在试样上的交变载荷为15.1KN，平均载荷为45.4KN，频率为89Hz。载荷加载在试样上时，试样中间位置为应力最大部位，即最危险的部位。因此，可以通过式(5.1)得到，在三点弯曲疲劳实验中试样所受的最大应力是447Mpa。所有试样在相同的载荷作用下，进行疲劳性能测试，即当试样发生疲劳失效时，试验机停止运行，记录每个试样在该载荷下的疲劳寿命。

3.2三点弯曲疲劳试验寿命数据处理

3.2.1材料疲劳失效判据

三点弯曲疲劳试验试样需确定其疲劳失效判据，通过疲劳失效判据来确定每次试验的终止点。常见的零件疲劳失效形式如表5所示。

表5、常见零件失效形式

由上表可以得出，齿轮类零件失效形式有脆性断裂，腐蚀，咬蚀，表面局部变化等。而20Cr2Ni4A作为重载齿轮的常用材料，其在疲劳试验中，可以将试样断裂作为试验终止的标志。

即当三点弯曲疲劳试样断裂时，也是试样弯曲疲劳失效时，便可以终止弯曲疲劳试验，然后记录下显示在试验台架上的20Cr2Ni4A齿轮钢试样在该应力级下的弯曲疲劳寿命。

3.2.2三点弯曲疲劳试验结果

20Cr2Ni4A齿轮钢试样经过渗碳处理和脉冲磁场处理之后，放置在疲劳试验机进行试验，测试的试样弯曲疲劳寿命数据如表6所示，5个磁场强度下的平均疲劳寿命如图14所示。从图中可以看出，经过磁处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的疲劳寿命高于没有磁处理的试样，随着磁场强度的增加，试样的疲劳寿命也随之增加，但由于疲劳试验的数据较为离散，变化大小没有超过一个数量级，可忽略不计，但明显的可以看出，6T的场强下，20Cr2Ni4A齿轮钢试样疲劳寿命值最大。

表6、不同场强的20Cr2Ni4A齿轮钢试样弯曲疲劳寿命数据

由表6可以看出，0T的20Cr2Ni4A齿轮钢的6个试样疲劳寿命均在1万周次左右，最高不会超过5万周次，而1T、2T、4T的场强下均有疲劳寿命在5万周次左右的试样，由于测试其疲劳寿命的试样数量较少，且经过磁处理的试样疲劳寿命没有提高到一个新的数量级，但是，6T场强下的试样疲劳寿命达到了14万周次，也就是说在6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样，弯曲疲劳寿命比磁处理之前的试样提高地较为明显。而由图14也可以明显地看出，随着磁场强度的增加，试样的疲劳寿命也不断增加，其中，在6T场强下的试样疲劳寿命值最大。

上述不同场强下的试样疲劳寿命数据说明，磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样在疲劳性能方面具有一定的影响，在场强是6T的情况下，试样的疲劳性能达到最优状态。

因此，本文采用6T场强下的试样作为磁处理之后的试样和未进行磁处理的试样进行疲劳强度的对比。在4种不同的应力水平下，对磁处理之前的试样和6T场强下的试样分别在三点弯曲疲劳试验机上进行疲劳寿命测试，当试样发生断裂时，疲劳试验机停止试验，此时记录下不同应力水平下的疲劳寿命数据，如表7和表8所示。

表7、0T场强下的不同应力下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样弯曲疲劳寿命数据

表8、6T场强下的不同应力下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样弯曲疲劳寿命数据

由表7可以看出，在0T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样在四个不同的应力水平下，疲劳寿命也有所变化，随着应力值的增加，疲劳寿命数值下降，且由最大寿命值789021周次降到最低寿命11050周次；而由表8可以看出，在6T场强下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的最高寿命在最大应力值是316MPa时，寿命为1679893周次，相比较同样应力条件下，0T场强下的试样，寿命值提高约80万周次。

其中，在对疲劳寿命的数据处理分析过程中，存在多种影响试验数据的因素，如试样的本身材料属性，试样的尺寸及试样的形状，试验过程的环境因素，试验夹具等，这些因素会导致试样疲劳试验数据的离散性，影响试验结果。因此，为了减少在同一个应力水平下疲劳数据结果的差异性，使得整个试样的试验数据具有一定的特征，采用Basquin方程式，对数据进行拟合，最后得到寿命和应力曲线。由表7和表8的疲劳试验数据可得，从整体的疲劳试验数据中能够看出，疲劳寿命随着应力值的降低呈增加的趋势，而由Basquin方程式(5.2)在疲劳试验数据的对数坐标中，也可以明显地得出，试样的疲劳试验寿命数据和其应力的最大值呈线性关系。

为了对比20Cr2Ni4A齿轮钢试样在0T场强下和在6T场强下的疲劳极限，利用最小二乘法对试验数据进行拟合处理。对式(5.2)的两边取对数，可以得到式(5.3)。

其中，对式(5.3)进行化简，令y＝lgσmax，x＝lg N，a＝-1/m，b＝lg C/m，即可得到标准线性方程(5.4)：

y＝ax+b (3.4)

其中，对于线性方程(5.4)，a和b的数值可以通过最小二乘法拟合得到。

而对于式(5.2)中的m和C也可以通过最小二乘法的回归计算得到，如式(5.5)和式(5.6)。其中，式(5.5)表示在0T场强下的试样疲劳寿命和应力曲线，式(5.6)表示在6T场强下的试样疲劳寿命和应力曲线。

在疲劳寿命和应力曲线中，疲劳强度定义为疲劳寿命是107周次时所对应的应力，将此循环次数数值带入式(5.5)和式(5.6)，分别计算在场强为0T下的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的疲劳极限和场强为6T下的试样疲劳极限，结果分别为248MPa和281Mpa，即相比于磁处理之前，磁处理使得试样的疲劳极限提高了33MPa。

因此，综上所述，在同一应力水平下，20Cr2Ni4A齿轮钢试样在不同磁场强度下的疲劳寿命均不同，其中，在6T场强下的疲劳寿命值与在0T场强下的疲劳寿命值相差最大，然后，将6T场强下的试样和0T场强下的试样在不同应力条件下进行疲劳强度计算，结果得出，6T场强下的试样疲劳强度比0T场强下的试样的疲劳强度高33Mpa。

3.3三点弯曲疲劳试验结果分析

疲劳损伤是重复应力作用下试样不可避免的一个过程，这也是一个不可逆的过程。由于有限的原材料，对于成产和运行方面，其成本太高，而研究者也在探索各种能够降低疲劳损伤的方法，如常见的材料表面硬度的提高和材料表面残余压应力的提高，以及更为经典的渗碳等热处理方法，这些方法都能够有效地降低零件的疲劳损伤，提高疲劳寿命。

而以往的方法均存在一定的缺陷，磁处理方法作为一种新的提高零件疲劳寿命的方法，在材料加工等领域都有一定的研究。在本文的研究中，研究对象是20Cr2Ni4A齿轮钢试样，磁场作为一种外在作用力，施加于试样，使得试样的微观组织发生变化，从而影响了试样的力学性能如残余应力，减少了应力集中现象，使得试样的疲劳寿命得到了提高。

本文采用的疲劳试验的方法是成组法，即0T试样和6T试样分别在不同的应力水平下做成组试验，可以得到寿命和应力曲线，试样的疲劳极限通过升降法来得到。

经过试验和计算，试样在6T磁场强度下的疲劳寿命最大，且疲劳极限值高于试样在0T磁场强度下的疲劳极限值，该结果可以得出，磁处理在提高20Cr2Ni4A齿轮钢的弯曲疲劳性能中具有一定的效果。基于这个规律，本文有如下解释。

20Cr2Ni4A齿轮钢试样经过磁处理之后，材料在外加磁场的作用下，疲劳性能得到提高，疲劳性能的提高在一定程度上反映了磁处理在力学性能的影响，即磁处理在提高20Cr2Ni4A齿轮钢试样的力学性能具有一定的效果，这与第三章所阐述的磁处理可以降低试样的残余应力相对应。

即在磁场的作用下，20Cr2Ni4A齿轮钢试样材料内部的位错源受到了一个来自磁场的驱动力，位错滑移、增殖现象明显，材料内部的位错胞密度增大，位错源不断地增殖，使得材料内部外加的切应力也增大，从而增加了位错阻力，而位错阻力的增加是材料疲劳寿命得到提高的本质。因此，材料的疲劳寿命得到提高的元过程就是位错运动。

而20Cr2Ni4A齿轮钢试样作为一种铁磁性材料，当把该材料置于磁场中时，材料内部发生磁畴转动和畴壁位移，直至达到磁饱和的状态，在这个达到磁饱和的过程中，必然伴随着形状和体积的变化，这个过程就叫磁致伸缩效应。而由胡克定律得，材料如果产生了磁致伸缩变形现象，就必然在材料内部有应力产生。也就是说，在材料产生磁致伸缩变形的过程中，会产生一个作用于材料内部位错的力。所以，当20Cr2Ni4A齿轮钢试样放置于磁场中时，材料的内部位错中就会产生由一个磁致伸缩变形引起的力，而这个力的推算过程如下。

位错的运动是晶体中两个晶面的Zeeman能量差的函数，在该函数中假设ΔB是这两个晶面的磁通密度的差值，H是磁场强度，则Zeeman自由能密度差可以用如下式(5.7)表示。

ZE＝-μ0MsH(cosθ-cos(θ+φ)) (3.7)

公式中φ表示的是两个晶面之间的角度，θ表示的是晶面和外加磁场之间的角度，Ms表示的是饱和磁化强度，μ0表示的是真空的磁导率。

而材料内部位错中每单位长度位错线上所受的力F如式(5.8)所示。

公式中d表示的是两个晶面之间的距离，L表示的是位错线的单位长度。ΔBH可以用式(5.9)表示。

ZE＝-ΔBH (3.9)

因此，结合式(5.7)、式(5.8)和式(5.9)便可得到磁场作用在材料内部位错的力，如式(5.10)所示。

磁场作用于材料内部位错的力，与磁场强度、磁场方向和相邻两个晶面易磁化轴的方向有关。实际上，磁场作用在材料内部位错的力是磁场对材料内部位错的推动力，这个力是由材料的磁致塑性变形引起的。而根据Frank-Read位错源机制，如图15所示，当磁场作用于位错的力大于位错线的张力引起的阻力时，位错便开始从最里面的黑线到最外面的黑线最后回到原始状态，循环这个过程，不断地产生位错增殖。因此，20Cr2Ni4A齿轮钢试样经过磁场处理，然后在位错强化机制的作用下，疲劳性能显著提高。

因此，本文对20Cr2Ni4A齿轮钢试样在不同磁处理参数下的弯曲疲劳性能展开了研究，针对目前重载齿轮的弯曲疲劳性能急需提高的要求，研究了重载齿轮的常用材料20Cr2Ni4A在磁处理之后的疲劳性能，进行了0T和6T疲劳试验试样在不同应力条件下的疲劳寿命研究，通过对疲劳数据拟合得到相应的疲劳极限，并对经过磁处理的20Cr2Ni4A齿轮钢试样疲劳寿命的影响进行了分析，得到了以下结论：

1、在应力为447MPa时，对场强为0T、1T、2T、4T、6T的20Cr2Ni4A齿轮钢试样进行三点弯曲疲劳寿命试验，试验数据显示，在场强为6T时，试样的疲劳寿命值可以达到14万周次，较没有磁处理的试样提高12万周次，即场强为6T时，疲劳试验的试样疲劳寿命值最大。

2、将场强为6T的疲劳试验试样与场强为0T的试样进行疲劳强度的计算，在四种应力水平下进行三点弯曲疲劳试验，测得疲劳寿命数据，然后利用Basquin方程式，得出试样的疲劳寿命数据和应力最大值呈线性关系，并对应力值和疲劳寿命数据进行最小二乘法拟合处理，求得场强为6T的疲劳试样的疲劳极限比0T的试样疲劳极限提高了31MPa。

3、分析了磁处理对20Cr2Ni4A齿轮钢试样的疲劳性能影响机理，从微观角度分析，提出位错的影响机制，磁场作用于铁磁性材料时，会有一个由磁致伸缩引起的力作用于材料内部的位错，而这个力实际上是磁场对于位错的推动力，在该力的作用下，位错源不断增殖，位错阻力因此也变得越大，从而使得材料的疲劳性能得到提高。

本方案应用于传动齿轮疲劳性能提升技术，具有下列优势：

一.新型齿轮疲劳性能调控技术，无需接触零件表面，减少表面损伤萌生；

二.时间短、速度快；

三.明显提升齿轮弯曲疲劳寿命。

本文针对重载齿轮抗疲劳性能中齿根部位的弯曲疲劳性能的问题，采用脉冲磁场处理技术来提高20Cr2Ni4A齿轮钢的弯曲疲劳性能。首先，本文采用X射线衍射仪对材料进行磁处理前后的表面残余拉应力和表面残余压应力的表征，通过显微组织、晶粒组织、位错组织和位错密度的变化来分析其影响机理。其次，本文基于残余应力的变化机理，分析不同磁场强度对材料的微观组织的影响。最后，本文基于残余应力和微观组织和研究，探究磁处理对材料的弯曲疲劳性能的影响和机理。本文主要工作及结论如下：

1、对20Cr2Ni4A齿轮钢材料进行磁处理前后的表面残余应力表征，通过喷丸处理和拉伸试验来引入5个残余压应力和残余拉应力集，在对拉伸和喷丸后的试样进行统一参数的6T场强下的脉冲磁场处理。

2、对经过磁处理之后的试样进行残余应力表征，获得数据显示，经过磁处理之后的试样残余压应力和残余拉应力都有降低，发现残余拉应力的最大值和最小值之间差值降为50MPa，残余压应力的最大值和最小值之间的差值降为35Mpa，残余应力的分布更加均匀；

3、经过磁处理之后的试样利用OM光学显微镜观察其磁处理之后的金相组织发现变化不大，但通过EBSD观察其晶粒组织发现晶粒细化，晶粒尺寸由2.098μm降低至1.268μm，且大角度晶界率增大，通过TEM观察其位错组织发现位错缠结现象严重，位错形貌不单一，在透射电镜的基础上进行XRD测试得到XRD图谱，通过图谱计算确定经过磁场处理之后的20Cr2Ni4A齿轮钢试样的位错密度变大，且(220)晶面位错密度变化最显著。

4、经过脉冲磁场处理的试样晶粒组织的变化与位错运动有关，在磁场的作用下，材料内部的马氏体发生明显的细化现象，晶粒破碎，晶界增加，使得材料阻止位错运动的阻力增大，从而使材料的强度提高，而位错密度的变化与磁场的作用有关，磁场使得材料内部发生晶格畸变，位错增殖现象明显，磁场驱动材料的位错源，使得位错倍增，从位错强化机制解释材料的力学性能得到提高。

5、基于脉冲磁场对于20Cr2Ni4A齿轮钢试样的残余应力影响研究，初步探索了脉冲磁场对于材料的影响机理，在此基础上，改变不同的脉冲磁场强度，研究不同磁场强度对于材料微观组织和元素种类的影响。经过EBSD测试发现，磁场强度越大，材料的晶粒平均尺寸越小，晶粒平均尺寸由0T时的2.098μm降低至6T时的1.268μm。经过EDS测试发现，磁场强度大小对于材料的元素种类变化没有很大的影响，但是有无磁场处理对于材料的元素种类和含量的变化影响较大，经过磁场处理之后的试样S相非金属夹杂物数量变少，材料的塑韧性增强。

6、对不同磁场强度的试样进行相同应力水平下的三点弯疲劳试验，试验数据显示，6T场强下的试样疲劳寿命最大，然后对0T和6T的三点弯疲劳试样在不同应力水平下进行疲劳试验，通过最小二乘法拟合得到疲劳极限在0T时是281Mpa，在6T时是248Mpa，即磁处理之后的试样疲劳强度增大了33Mpa。

7、经过脉冲磁场处理的20Cr2Ni4A齿轮钢试样疲劳性提高的原因是由材料内部的位错引起的，即磁场作用于铁磁性材料时，会有一个由磁致伸缩引起的力作用于材料内部的位错，在该推动力的作用下，位错源不断增殖，位错阻力因此也变得越大，从而使得材料的疲劳性能得到提高。

8、在脉冲磁场的作用下，材料内部的微观组织发生变化，进而影响材料的残余应力，而材料的残余应力必然与材料的疲劳性能相关联，因此20Cr2Ni4A齿轮钢试样在磁场的作用下微观组织得到调控，进而影响材料的疲劳性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。