1、引言

大型鋁合金環(huán)件通常用作復雜構(gòu)件的鍛造坯料，例如火箭過渡環(huán)和風電軸承環(huán)。這些環(huán)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學性能顯著影響著相關(guān)設(shè)備的裝配精度和安全性能。然而在制造過程中，不均勻的熱載荷和機械載荷會向環(huán)件引入殘余應力。這種殘余應力會降低材料的尺寸精度和機械強度，導致長期使用時出現(xiàn)塑性失穩(wěn)、構(gòu)件變形及應力腐蝕開裂等嚴重問題。因此，殘余應力的控制與消除在鋁合金環(huán)件制造過程中至關(guān)重要。ShigeoOikawa

等人根據(jù)作用尺度將殘余應力分為三類（圖1(a)）：I型殘余應力是宏觀尺度，因工件不均勻變形產(chǎn)生；II型殘余應力是微觀尺度，源于材料內(nèi)晶界非均勻變形；III型殘余應力也是微觀尺度，由材料晶粒內(nèi)晶格缺陷產(chǎn)生

常用殘余應力消除方法包括機械法和能量法。機械法（圖1(b)）主要通過施加超過材料屈服強度的外力，誘發(fā)塑性變形以釋放殘余應力，包括機械拉伸和深冷處理。盡管這些方法滿足高力學性能要求，但剛性工具接觸可能損傷表面并引入新殘余應力。能量法（圖1(c)）通過施加外部能量，加速金屬原子回歸平衡位置，降低晶格畸變，促進位錯均勻分布，最終消除殘余應力。包括熱處理、振動時效、超聲振動。盡管這些方法有效（尤其熱應力消除法），但可能導致晶粒粗化，降低構(gòu)件強度和尺寸精度，故不適用于高強度精密構(gòu)件。圖1：

(a)

殘余應力分類、

(b)

機械法和

(c)

能量法近年來，磁場技術(shù)因其環(huán)保性和高可控性，已成為金屬材料加工及殘余應力調(diào)控的新方法。該技術(shù)利用磁致收縮、相變和冷卻效應消除殘余應力并強化構(gòu)件。但現(xiàn)有技術(shù)磁場強度低（<3T），目前僅限于小尺寸工件的機理研究，尚未實現(xiàn)有效工程應用。而傳統(tǒng)殘余應力處理方法受限于作用機制，難以平衡有效消應力與構(gòu)件高性能需求。本文提出采用脈沖強磁場（PulsedHighMagneticField，PHMF）技術(shù)消除鋁合金環(huán)件殘余應力的新方法。與傳統(tǒng)磁處理不同，PHMF具有高強度場和瞬時效應，可引起顯著機電效應。該方法通過脈沖洛倫茲力與構(gòu)件柔性接觸，為金屬原子和位錯運動提供能量，實現(xiàn)所需塑性變形，進而有效降低殘余應力。2、原理與方法2.1

電磁脹形原理

傳統(tǒng)準靜態(tài)冷脹工藝如圖2(a)所示：環(huán)件內(nèi)表面接觸模具并在脹形力作用下變形，模具間隙處因變形不均形成內(nèi)表面"臺階"。圖2(b)展示了脈沖強磁場消除鋁合金環(huán)件殘余應力的過程：電容器通過脈沖線圈放電產(chǎn)生強脈沖磁場，在環(huán)件內(nèi)表面感應出渦流，形成作用于金屬環(huán)的電磁斥力。初始拉應力區(qū)達到屈服強度發(fā)生塑性變形，放電結(jié)束電磁力撤除后，塑性變形區(qū)僅保留極小彈性應力，從而實現(xiàn)殘余應力消除。此外，電磁力可抵消原壓應力區(qū)的壓縮應力，進一步促進應力消除。圖2

：

(a)

準靜態(tài)冷脹工藝、(b)

高速電磁脹形工藝

脈沖電磁力加工具有三大優(yōu)勢：1.柔性加載：脈沖電磁力具有柔性加載特性，線圈（施力部件）不與工件剛性接觸。同時，線圈與環(huán)件同軸排布使電磁力沿內(nèi)表面周向均勻分布，促進均勻環(huán)向脹形。2.深度可控：電磁力是作用于整個趨膚深度的體積力（圖2(b)）。通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)可精確控制電磁力影響深度，較傳統(tǒng)機械載荷減少表面接觸引發(fā)的應力集中缺陷[19]。3.高沖量特性：脈沖電磁力可在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高沖量，滿足成形所需的動量傳遞[20]。大型環(huán)件實際生產(chǎn)中，淬火與冷脹工序間隔不得超過4小時。傳統(tǒng)消應力方法難以滿足此類嚴苛時效要求，本方法因作用時間短、加工效率高而具有顯著優(yōu)勢。圖3

：

(a)

脹形磁體結(jié)構(gòu)示意圖、

(b)

大直徑環(huán)件脹形平臺、

(c)

機理探索平臺、

(d)640μF電容器組、

(e)7680μF電容器組2.2

實驗2.2.1

實驗裝置

圖3展示了電磁脹形平臺的組成與結(jié)構(gòu)。針對直徑分別為118mm和717mm的鋁合金環(huán)件，設(shè)計搭建了兩個放電平臺。717mm大型環(huán)件通過熱軋制造，118mm環(huán)件采用線切割從軋制鋁板切取。為匹配成形線圈尺寸，對大直徑鋁環(huán)底面和內(nèi)表面進行高速小進給車削加工。車削過程中采用液冷，最大限度減少二次加工引發(fā)的機械-熱應力影響，從而保留原始應力分布特征。2.2.2

實驗設(shè)計和殘余應力測試為研究鋁合金環(huán)件電磁脹形后殘余應力變化規(guī)律，對6061鋁合金環(huán)件（外徑118mm）施加4.5kV、4.8kV、4.9kV、5kV、5.2kV、5.5kV和5.7kV放電電壓進行實驗，以誘導梯度變形。另對5A06鋁合金環(huán)件（直徑717mm）采用兩種放電模式脹形實驗：多次放電模式（10kV、11kV、12kV、14kV、16kV漸進增壓）與單次放電模式（16kV單次放電）。在鋁環(huán)四個表面進行PHMF處理前后的原位殘余應力測試。制定測量方案如圖4所示，上表面和下表面，徑向和圓周測量殘余應力。在內(nèi)表面和外表面上，軸向和圓周方向測量殘余應力。圖4

鋁合金環(huán)件測點布置與測量方法示意圖3、結(jié)果和討論3.1

塑性變形與殘余應力的關(guān)系

在118mm直徑鋁環(huán)脹形實驗中，不同放電電壓下單次放電序列下的環(huán)件直徑增長率與放電電壓的關(guān)系如圖5(a)所示，變形范圍從塑性變形初始階段延伸至超過4%。圖5(b)和5(c)分別展示了平均徑向與周向殘余應力隨放電電壓的變化規(guī)律。通常，隨著變形量增加，鋁環(huán)徑向與周向殘余應力均呈下降趨勢，且壓應力最終轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Α４爽F(xiàn)象歸因于I類殘余應力的釋放，塑性變形增加促使材料重新分布應力，最終導致應力反轉(zhuǎn)。圖5：(a)

直徑變化率，

(b)

徑向殘余應力，

(c)

軸向殘余應力

此外，殘余應力分布的均勻性反映材料均質(zhì)程度。未處理工件的周向與徑向殘余應力數(shù)據(jù)點分布更分散，放電脹形后殘余應力分布顯著集中。隨著放電電壓從0增至5.2kV，殘余應力分布均勻性提升，各位置應力差值減小。但當電壓升至5.5kV時，應力分布再次分散，這表明過度塑性脹形可能對殘余應力分布均勻性產(chǎn)生負面影響。3.2

微觀結(jié)果與應力松弛機制3.2.1

微塑性變形與晶粒細化

本節(jié)通過研究電磁脹形過程如何具體影響三種類型的殘余應力來探討殘余應力消除的機制。核平均取向差（KernelAverageMisorientation，KAM）值常用于反映特定區(qū)域塑性變形程度[21]。圖6(a)-(c)展示鋁環(huán)試樣的KAM分布，圖6(a)未處理試樣存在高KAM值區(qū)，表明前期加工存在應力集中，隨放電電壓增加，試樣KAM分布更均勻，平均KAM值也隨之增加。這說明隨環(huán)件宏觀變形量增加，微觀晶粒間塑性變形趨于均質(zhì)化，促使應變更均勻地重新分布，有利于晶粒間新內(nèi)應力的協(xié)調(diào)，從而有效釋放殘余應力。圖6

：(a)

原始試樣、(b)4.9kV處理試樣、(c)5.5kV處理試樣的KAM分布及頻率；(d)

未處理試樣、(e)4.9kV處理試樣、(f)5.5kV處理試樣的EBSD分布及晶粒尺寸圖6(d)-(f)呈現(xiàn)了三個試樣的晶體取向圖，展示了晶粒的分布、尺寸及形態(tài)。圖像顯示隨著放電電壓增加，鋁環(huán)的平均晶粒尺寸顯著減小。未處理試樣中部分晶粒因前期加工受力與受熱不均呈現(xiàn)輕微拉長現(xiàn)象，而電磁脹形后畸變晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀。隨著放電電壓升高，小尺寸晶粒數(shù)量明顯增多，表明脹形過程中持續(xù)的晶粒細化重組了不穩(wěn)定晶粒結(jié)構(gòu)，通過形成小晶粒釋放了Ⅱ類殘余應力。3.2.1

織構(gòu)弱化與位錯運動

圖7展示了三個試樣不同晶面的極圖。圖中{001}、{110}、{111}分別代表三種晶面取向，極密度分布反映了晶體取向集中程度。圖8(a)中原始工件最大極密度超過7，而經(jīng)電磁脹形的另兩個工件最大極密度約為5，表明原始鋁環(huán)織構(gòu)最為顯著。電磁脹形工藝可弱化材料織構(gòu)，有利于提升材料性能。圖7：(a)原始試樣、(b)4.9kV處理試樣、(c)5.5kV處理試樣的晶面極圖，以及(d)未處理試樣、(e)處理試樣的TEM結(jié)果

對PHMF處理前后的試樣進行TEM觀測，位錯分布如圖7所示，圖中黑斑代表位錯纏結(jié)。觀察到大量位錯在晶界處聚集，形成由加工硬化導致的平行位錯結(jié)構(gòu)，這類位錯缺陷不可避免地引發(fā)微觀殘余應力。脹形前后試樣對比表明，脹形后位錯密度顯著增加且分布更均勻，同時在處理后的試樣中觀察到大量亞晶界及亞晶結(jié)構(gòu)。這些現(xiàn)象表明，脈沖磁場能量輸入在晶粒內(nèi)部誘發(fā)了大量位錯，這些位錯在原粗晶粒內(nèi)形成位錯線，隨著應變增加，不同方向的位錯線相交形成位錯纏結(jié)和位錯墻。位錯交互作用將初始晶粒分割為更小單元，為降低總能量狀態(tài)，位錯線與位錯墻轉(zhuǎn)化為亞晶界，最終形成相對穩(wěn)定的亞晶。這些亞晶尺寸小于原始晶粒，且缺陷密度降低。在通過位錯運動形成亞晶的過程中，兩個關(guān)鍵機制促使殘余應力降低：一、晶粒間非均勻應力的重新分配達到新平衡，從而消除Ⅱ型殘余應力；二、Ⅲ型殘余應力通過新亞晶界和亞晶的形成得以釋放。3.2.3

動態(tài)恢復和再結(jié)晶

進一步探究亞晶形成的成因與比例。多晶金屬變形過程中，外部能量輸入引發(fā)的位錯滑移與重排導致晶粒發(fā)生回復與再結(jié)晶。這些過程可消除材料內(nèi)部的晶格畸變、空位缺陷和位錯缺陷，有效降低殘余應力[22]。但傳統(tǒng)退火處理中，再結(jié)晶溫度下會發(fā)生形核與晶粒長大，導致材料結(jié)構(gòu)強度下降[23]，這是常規(guī)應力消除方法的局限。圖8展示了不同電壓下的取向差角分布及形變-再結(jié)晶顯微組織圖。圖中黑色晶界代表取向差大于15°的大角度晶界，紅色晶界代表取向差小于15°的小角度晶界。電磁脹形后紅色晶界密度增加，表明脹形過程中形成了小角度晶界，小角度晶界通常是亞晶的界面，說明電磁脹形過程中形成了相當數(shù)量的亞晶結(jié)構(gòu)。圖8：(a)原始試樣、(b)4.9kV處理試樣、(c)5.5kV處理試樣的取向差角分布，以及(d)原始試樣、(e)4.9kV處理試樣、(f)5.5kV處理試樣的形變-再結(jié)晶顯微組織圖

在形變-再結(jié)晶顯微組織圖中，藍色代表再結(jié)晶晶粒，黃色代表亞晶，紅色代表變形晶粒。結(jié)果表明，金屬材料回復過程中，通過位錯滑移與空位運動形成大量亞晶，降低晶體缺陷密度，致使Ⅲ型殘余應力顯著降低。但該電壓下鋁環(huán)過度變形誘發(fā)新的微觀組織畸變，正是這些變形晶粒導致高放電電壓時殘余應力測量值離散性增大。

基于宏觀應力測量與微觀組織表征，總結(jié)出環(huán)件PHMF脹形消除殘余應力的機理（圖9）：當PHMF誘導的脈沖電磁力超過材料屈服強度時，塑性變形釋放Ⅰ型殘余應力；適當載荷力促進位錯運動與增殖，大量位錯移動形成亞晶界與亞晶，實現(xiàn)晶粒細化，晶粒內(nèi)部應力重分布促使Ⅱ型殘余應力松弛；同時位錯運動使畸變晶粒轉(zhuǎn)化為等軸晶，減少晶體缺陷從而緩解Ⅲ型殘余應力。但電磁力過大會導致晶粒畸變及高KAM區(qū)域出現(xiàn)，致使殘余應力測量值分布離散。因此適度PHMF處理可有效釋放工件殘余應力。圖9

脈沖強磁場去除殘余應力機理3.3

大尺寸環(huán)件殘余應力演變3.3.1

電磁力場分布特性

針對直徑717mm大型鋁環(huán)的脹形研究，通過實驗與仿真獲得成形過程中電-磁-力場關(guān)鍵參數(shù)，由于電磁力屬于體積力，其主要作用區(qū)域集中在趨膚深度范圍內(nèi)。圖10(a)-(c)展示了16kV放電電壓下1ms、2.5ms、4ms時刻的洛倫茲力分布：1ms時力集中作用于環(huán)件內(nèi)表面且數(shù)值較高，隨放電進程快速向環(huán)件內(nèi)部滲透。結(jié)合圖10(d)電磁力變化曲線分析可見：雖然初始階段出現(xiàn)局部力峰值，但環(huán)件整體徑向電磁力在6ms左右達到峰值，說明局部力峰值的減弱不影響環(huán)件整體受力的提升。這種體積力加載方式有助于減輕應力集中，避免引入新殘余應力。圖10

洛倫茲力分布：(a)1ms

、(b)2.5ms

、(c)4ms

、(d)

環(huán)件中線徑向力時變分布3.3.2

結(jié)構(gòu)尺寸與殘余應力演變

各放電電壓下環(huán)件直徑變化曲線與雷達圖示于圖11(a)。鋁環(huán)變形量不隨放電電壓線性增長，更高電壓會導致更顯著的變形增量，這主要源于能量與放電電壓平方成正比。計算鋁環(huán)四個表面的平均殘余應力，繪制環(huán)件平均殘余應力與放電電壓關(guān)系如圖13(b)所示：一方面，鋁環(huán)整體應力絕對值隨放電電壓升高逐漸降低，且電壓越高降速越快；另一方面，脹形過程未顯著改善或惡化殘余應力測量值的離散性。圖11：(a)不同放電電壓下鋁環(huán)內(nèi)外徑變化曲線及尺寸分布雷達圖，(b)鋁環(huán)平均殘余應力隨放電電壓變化曲線

使用AIS3000便攜式力學性能測試儀測量脹形前后環(huán)件，力學性能結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)顯示電磁脹形處理后各項力學性能均有小幅提升，表明本文新方法未削弱材料力學性能，反而增強了金屬材料強度。表1

電磁脹形前后力學性能對比3.3.3

環(huán)件不同位置應力變化規(guī)律

為提升鋁環(huán)與線圈裝配精度，實驗前對鋁環(huán)上端面及內(nèi)壁進行了高速慢走刀車削，該加工過程引入殘余應力使分析復雜化。為深入探究鋁環(huán)各表面殘余應力分布，選取未經(jīng)車削的下端面與外壁應力結(jié)果進行討論。圖12(a)展示PHMF脹形前后端面周向與徑向殘余應力分布，圖12(b)(c)分別顯示外表面和內(nèi)表面的周向與軸向殘余應力分布?？梢婋姶琶浶魏蠖嗣嬷芟驊捣?1.6%，徑向殘余應力降幅75.9%，外表面周向應力降幅67.0%，軸向應力降幅61.5%。而內(nèi)表面應力消減效果較弱：周向應力僅降低17.5%，軸向應力降低47.2%。內(nèi)表面低消減率源于應力方向逆轉(zhuǎn)，周向平均應力從初始壓應力-123.5MPa逆轉(zhuǎn)為拉應力101.9MPa，絕對值增幅達225MPa?？傮w而言，電磁脹形有效降低了各表面所有方向的殘余應力，但內(nèi)表面因變形更大導致應力方向反轉(zhuǎn)。圖12

脈沖強磁場處理前后殘余應力雷達圖：(a)端面

(b)外表面

(c)內(nèi)表面3.3.4

不同放電模式的影響

本節(jié)主要研究兩種放電模式對大尺寸鋁合金環(huán)件殘余應力消減效果的影響。兩種模式下環(huán)件初始內(nèi)外徑均為597.0mm和717.5mm。表2對比顯示：雖然兩種脹形模式最終放電電壓均達16kV，但單脈沖模式引起的內(nèi)外徑變形量更大；同時兩種模式下環(huán)件平均殘余應力均降至約-30MPa，值得注意的是單脈沖模式應力消減效率達84.9%，略高于多脈沖模式的80.7%。這是因為在多脈沖放電模式下，即使最終電壓達16kV，環(huán)件與線圈間距仍大于單脈沖模式，材料屈服強度更高。表2

不同放電方式下處理前后環(huán)的尺寸變化圖13不同放電模式周向殘余應力消除率對比：(a)端面

(b)外表面

(c)內(nèi)表面

圖13對比了兩種脹形模式處理前后的殘余應力及釋放率變化。結(jié)果表明：無論從殘余應力值變化還是消除率衡量，單次放電法對周向殘余應力的消除效果均優(yōu)于多次放電法。這是因為應力消減效果與塑性變形量正相關(guān)，變形量越大則消減效果越顯著。結(jié)合表2數(shù)據(jù)可推斷，單次放電法的優(yōu)異表現(xiàn)主要源于其能誘發(fā)更大的周向變形。4、結(jié)論

針對傳統(tǒng)殘余應力消除方法難以兼顧有效消除應力與保持結(jié)構(gòu)強度的固有難題，本文提出PHMF技術(shù)高效消除合金環(huán)件殘余應力的新方法。通過設(shè)計電磁脹形實驗平臺探究