文|木鱼历史
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前言
目前钢铁行业正致力于开发抗拉强度更高的钢材。一般认为，随着钢材的极限抗拉强度的提高，其疲劳极限也随之提高。然而，在由高强度钢制成的焊接部件中，焊缝处会出现应力集中，这会导致焊缝容易开裂。
有三个关键参数可以调整，以提高焊接部件的抗疲劳性并降低焊接开裂的风险：焊接质量、局部几何形状和残余应力。
上述一个或多个参数可以通过焊后处理（如热处理、热机械处理或体积和表面处理）进行改变。传统的疲劳寿命增强技术包括研磨、喷丸、锤击和钨极惰性气体 (TIG) 修整。
一种比较新的机械焊后处理技术在高频喷丸领域近年来取得了重大的进展，特别是超声喷丸、超声冲击处理等超声波方法。
超声冲击处理由超声分量和机械冲击分量组成，利用高频冲击来改善焊缝质量，降低残余应力。但除了超声喷丸和超声冲击带来的高频冲击外，超声分量是否对材料性能和微观组织产生明显影响还有待进一步研究。
本研究采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）技术系统地研究了原位超声处理对低碳钢在拉伸变形过程中的微观组织、亚晶粒和位错结构的影响。
通过对这些影响的深入研究，可以更好地了解超声波处理对金属材料的作用机理，为进一步优化焊后处理工艺、提高材料的抗疲劳性能提供科学依据。
原位超声处理拉伸变形
按照ASTM-E2/E04M-1标准，选取8 mm厚低碳DC8钢作为研究对象（其详细化学成分见表1）。
表格1
拉伸试样的制备，我们沿钢板轧制方向将钢板切割成4块试件（见图1），保证拉伸试验中试件的加载方向与钢板轧制方向一致。
为了消除加工引起的应力，将拉伸样品放入盐浴炉中以 890°C 的温度进行热处理 1 小时。然后将样品从盐浴炉中取出，通过自然空气冷却至室温。这种热处理工艺有助于最大限度地减少样品中因加工引起的应力。
图1
为了避免研磨抛光引入的位错，我们采用电解抛光对热处理后的样品表面进行处理。具体来说，将样品浸入由700 ml乙醇、120 ml蒸馏水、100 ml甘油和80 ml高氯酸组成的溶液中进行电解抛光。此方法旨在保持样品表面的纯度，以便更准确地进行后续的微观结构和位错研究。
通过上述实验制备过程，我们将能够获得应力较低、表面无位错的拉伸样品，从而更准确地研究材料的力学性能和微观组织特征，为进一步的材料分析提供可靠的依据和数据支持。
对热处理和抛光后的样品进行超声波处理，并通过波导激励进行。
超声波处理的振幅和频率分别为26μm和27kHz。为确保波导与拉伸样品表面正确接触，同时避免样品弯曲，使用弹簧电池将接触力维持在约50N。
超声波处理在拉伸变形过程中进行，应变水平为8%~20%，引入横梁位移速度为2.7 mm/min的引伸计，记录施加载荷时的伸长率。
为了实现原位超声波处理，考虑了四种情况（如下所示）：
（1）0％应变（2）8％应变（3）20％应变和（4）20％应变，并在8％至20％的应变水平下的拉伸变形过程中进行处理。
通过这样的设计，我们能够实时观察超声波处理对不同应变水平下拉伸变形行为的影响。
通过记录引伸计的伸长量，可以得到材料在不同应变水平下的应力-应变曲线和力学性能数据，有助于我们更深入地了解超声波处理对材料的影响及其在应变过程中对微观结构和力学行为的调控。
图2给出了不同应变条件下4个样品（样品1、2、3、4）原位超声处理示意图，有助于更直观地了解实验方案及不同条件下的处理操作。
图 2
微观结构
使用 Olympus BX60M™ 光学显微镜进行光学显微镜检查，并使用 Buehler 显微硬度测试 (MHT) 机器进行维氏显微硬度测量，负载为 300 克。硬度测量进行了 10 次，并对结果取平均值以改进测量统计数据。
EBSD 扫描是在配备有场发射枪 (FEG) 的 NOVA 600 聚焦离子束 (FIB) 扫描电子显微镜上进行的，该显微镜的加速电压为 15 kV，光束电流为 0.59 nA，工作距离为 7 mm。
EBSD 扫描时，样品与水平轴倾斜 70°，步长为 0.25 μm，所有扫描的方形扫描网格尺寸为 175 × 175 μm 2。通过选择最佳图像分辨率进行图案处理并优化霍夫变换参数，获得了优于 0.5° 的角度分辨率。
该系统的横向分辨率在倾斜轴方向平行时约为 30 nm，在倾斜轴方向垂直时约为 90 nm，在 15 kV 电压下对 Fe 进行测量。扫描在样品中心进行，深度约为 1 mm。使用 TSL 定向成像显微镜 (OIM) 数据分析软件对 EBSD 数据进行后处理。进行后处理是为了消除 EBSD 图中置信度指数 (CI) 低于 0.1 的点。
组织和机械性能
初始热处理后未变形DC04钢的组织为铁素体晶粒（见图3a），晶粒角落处有细小的珠光体团（见图3b）。利用TSLOIM数据分析软件计算得出样品1的平均晶粒直径为22±0.9μm。
初始热处理后未变形钢样的平均显微硬度为94.6±1.4。室温拉伸试验表明钢结构应力应变检测，DC04钢样表现出典型的应力-应变曲线，包括连续屈服阶段和完全延性破坏（图4）。具体试验结果为：平均屈服应力为240±13 MPa，平均极限拉应力为314±10 MPa，断裂拉伸应变为43.8±0.3，杨氏模量为210±6 GPa。
图 3a-b
这些结果揭示了 DC04 钢在室温下的力学行为。屈服应力反映材料开始塑性变形时的应力水平，极限拉伸应力代表材料可以承受的最大应力。断裂拉伸应变是指材料在断裂前可以拉伸的程度。杨氏模量反映材料的刚度和变形特性。
这些数据为进一步研究DC04钢的性能和行为提供了基础，通过比较材料在不同加工和变形条件下的力学性能，可以更好地了解其应力-应变行为，为材料设计和工程应用提供指导。
此外，通过与其他钢铁材料的对比分析，可以评估DC04钢性能在钢铁行业中的地位和潜力。叠加超声振动后20%应变的DC04钢（样品4）的表面分析结果表明，拉伸样品的接触面严重损伤，如上图3a所示。
该损伤是由于波导与拉伸样品接触导致温度升高所致，损伤层深度约为60μm，进一步证实了接触诱导破坏（见图5）。
图 5
定向梯度和 GND
测量初始热处理后未变形钢样品的平均显微硬度为94.6±1.4。
接下来，在室温下进行拉伸试验，结果表明DC04钢样品呈现出典型的应力-应变曲线，包括连续屈服阶段和完全的延性破坏。
具体测试数据为：平均屈服应力为240±13 MPa，平均极限拉伸应力为314±10 MPa，断裂拉伸应变为43.8±0.3，杨氏模量为210±6 GPa。
这揭示了 DC04 钢在室温下的机械行为。屈服应力反映材料开始塑性变形时的应力水平，而极限拉伸应力则表示材料可以承受的最大应力。断裂拉伸应变表示材料在断裂前可以拉伸多少。杨氏模量反映材料的刚度和变形特性。
这些数据为进一步研究DC04钢的性能和行为提供了基础。通过比较材料在不同加工和变形条件下的力学性能，可以更好地了解其应力-应变行为，为材料的设计和工程应用提供指导。此外，通过与其他钢种的对比分析，可以评估DC04钢在钢铁工业中的性能现状和潜力。
当样品被拉伸时，样品垂直于拉伸轴的振动会对其接触面造成严重的损伤。这种损伤是由于波导与被拉伸的样品接触而引起的，从而导致温度升高。然而，这种温度升高远低于铁自扩散发生的温度。
具体来说，当样品受到轴向拉伸时，样品相对于拉伸轴的垂直振动可能会在接触区域产生振荡的剪切应力波。对于受到轴向载荷的样品，这种剪切应力波会加剧应力场，导致总应力更强。如果材料固有的变形抗力相同，那么在超声振动的情况下，只需要较小的轴向力就能使金属变形，导致叠加超声振动时拉伸应力减小。
这些发现揭示了超声波振动对材料性能的影响。超声波以垂直方式作用于拉伸试样，改变试样表面的应力状态，导致表面损坏和温度升高。然而，需要注意的是，在这些实验中，升高的温度远低于金属自扩散所需的温度。
综上所述
研究了原位超声处理对低碳钢（Fe–0.051C–0.002Si–0.224Mn–0.045Al）在拉伸变形下的微观结构的影响。详细的微观结构分析表明，超声处理从本质上改变了金属的变形特性，并利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射晶体取向映射和X射线衍射相结合的方法研究了变形样品处理区域下的变形微观结构。
结果表明，位错密度和小角度晶界分数显著降低，同时伴随晶粒优先旋转，超声波的软化效应可以驱动回复，从而显著减少变形过程中亚晶粒的形成。
此外，通过比较同时施加和不同时施加超声波时变形样品的微观结构，表明亚晶粒形成的减少是由于准静态载荷和超声波的联合应用，但并不是两个因素的简单相加。
超声波的作用可以归因于它能够增强位错偶极子湮没。叠加的超声波使位错能够传播更长的距离钢结构应力应变检测，从而增加了湮没的概率。
