文|沐语纪史编辑|沐语纪史前言钢铁行业目前正致力于开发抗拉强度更高的钢材。
通常认为，随着钢材的极限抗拉强度增加，其疲劳极限也随之增加。
然而，在高强度钢的焊接部件中，焊头处存在应力集中，这会导致焊缝容易开裂。
在提高焊接部件的抗疲劳性和降低焊缝开裂风险方面，有三个关键参数可以被调节，即焊缝质量、局部几何形状和残余应力。
通过焊后处理，如热处理、热机械处理或体积和表面处理，可以改变上述参数中的一个或多个。
传统的疲劳寿命增强技术包括磨削、喷丸、锤击和钨惰性气体(TIG)修整。
近年来，一个相对新颖的机械焊后处理技术在高频喷丸领域取得了重大进展，特别是超声波方法，如超声波喷丸和超声波冲击处理。
超声波冲击处理由超声波部件和机械冲击部件组成，它利用高频冲击来改善焊缝质量和减轻残余应力。
然而，除了超声波喷丸和超声波冲击所带来的高频冲击外，超声波部件是否对材料性能和微观结构产生显著影响还需要进一步研究。
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）等技术，系统研究了原位超声处理对低碳钢在拉伸变形过程中微观结构、亚晶粒和位错结构的影响。
通过对这些影响的深入研究，可以更好地理解超声波处理对金属材料的作用机制，为进一步优化焊后处理工艺和提高材料的耐疲劳性能提供科学依据。
原位超声处理的拉伸变形根据ASTM-E2/E04M-1标准，我们选择了8毫米厚的低碳DC8钢作为研究对象（其详细化学成分可参见表1）。
表1为了制备拉伸样品，我们沿钢板的轧制方向将钢板切割成四个样品（参见图1）。
这样可以保证样品在拉伸测试中的加载方向与钢板的轧制方向一致。
为了消除由于加工过程中引起的应力，我们将拉伸样品置于盐浴炉中进行热处理，温度为890°C，持续时间为1小时。
随后，将样品从盐浴炉中取出，并采用自然风冷至室温。
这样的热处理过程有助于最大程度地减小样品中由于加工引起的应力。
图1为了避免由于研磨和抛光过程引入的位错，我们采用电解抛光的方法对热处理后的样品进行表面处理。
具体而言，将样品浸泡在由700ml乙醇、120ml蒸馏水、100ml甘油和80ml高氯酸组成的溶液中进行电解抛光。
这种方式旨在保持样品表面的纯净性，以便后续的微观结构和位错研究能够更精确地进行。
通过以上的实验准备过程，我们将能够得到具有较低应力并且表面免受位错影响的拉伸样品，从而更准确地研究材料的力学性能和微观结构特征。
这些实验将为进一步的材料分析提供可靠的基础和数据支持。
在热处理和抛光后的样品中，我们采用了超声波处理，并通过波导激发进行实施。
超声波处理的振荡幅度和频率分别为26μm和27kHz。
为了确保波导与拉伸样品表面正确接触，同时避免样品弯曲，我们使用了一个弹簧加载电池以保持约50N的接触力。
超声波处理的实施是在拉伸变形过程中进行的，应变水平为8%和20%之间。
引入了一个十字头位移速度为2.7mm/min的引伸计，用于记录施加加载荷的伸长率。
为了实现原位超声处理，考虑了四种情况（如下图）：（1）0%应变（2）8%应变（3）20%应变和（4）20%应变，并在应变水平为8%和20%之间的拉伸变形过程中进行了处理。
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的拉伸变形行为的影响。
通过记录引伸计的伸长率，我们可以获得材料在不同应变水平下的应力-应变曲线和力学性能数据。
这将有助于我们更深入地了解超声波处理对材料的影响以及其对应变过程中微观结构和力学行为的调控作用。
图2展示了四个样品（样品1、2、3和4）在不同应变情况下的原位超声波处理示意图，这有助于更直观地理解实验方案和不同情况下的处理操作。
图2微观结构使用奥林巴斯BX60M™光学显微镜进行光学显微镜检查，维氏显微硬度测量是在标乐显微硬度测试（MHT）机器中以300 g的负载进行的。
硬度测量进行了10次，并将结果平均以改善测量统计数据。
EBSD扫描在NOVA 600聚焦离子束（FIB）扫描电子显微镜上进行，该显微镜配备场发射枪（FEG），在15 kV的加速电压，0.59 nA的光束电流和7 mm的工作距离下工作。
将样品倾斜到水平轴70°进行EBSD扫描，步长为0.25μm，在测量175×175μm的方形扫描网格中2用于所有扫描。
通过为图案处理选择最佳图像分辨率并优化Hough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平行于倾斜轴约30 nm，垂直于倾斜轴约90 nm，在15 kV的铁上测定。
扫描是在样品中心进行的，深度约为1毫米。
EBSD数据通过TSL定向成像显微镜（OIM）数据分析软件进行后处理。
进行了后处理，以消除EBSD地图中置信指数（CI）低于0.1的点。
微观结构和机械性能初始热处理后未变形的DC04钢的微观结构由铁素体晶粒（见图3a）组成，晶粒角处有小的珠光体菌落（见图3b）。
使用TSLOIM数据分析软件计算的样品1的平均晶粒直径为22±0.9μm。
经过初始热处理后未经变形的钢样品，其平均显微硬度为94.6 ± 1.4。
在室温下进行的拉伸测试显示，DC04钢样品表现出典型的应力-应变曲线，包括连续屈服阶段和完全延性破坏（图4）。
详细的测试结果如下：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。
屈服应力反映了材料开始发生塑性变形的应力水平，极限拉应力表示了材料能够承受的最大应力。
断裂拉伸应变是指材料发生破坏之前所能延展的程度。
而杨氏模量则反映了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。
通过比较不同处理和变形条件下材料的力学性能，我们可以更好地理解其应力-应变行为，并为材料设计和工程应用提供指导。
此外，与其他钢材进行比较和分析，可以评估DC04钢的性能在钢铁行业中的位置和潜力。
对20%应变的DC04钢（样品4）进行了叠加超声波振动后的表面分析结果显示，拉伸样品的接触表面出现了严重损坏，如图上图3a所示。
这种损坏是由于波导和拉伸样品之间的接触造成的，导致了温度的升高。
受损层的深度约为60μm，这进一步证实了接触引起的破坏（参见图5）。
图5方向梯度和 GND在经过初始热处理后未经变形的钢样品，其平均显微硬度测量结果为94.6 ± 1.4。
接下来，在室温下进行了拉伸测试，结果显示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延性破坏。
具体测试数据如下：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，而杨氏模量为210 ± 6 GPa。
这揭示了DC04钢在室温下的力学行为，屈服应力反映了材料开始发生塑性变形的应力水平，而极限拉应力表示材料能够承受的最大应力。
断裂拉伸应变则表示材料在破坏之前所能延展的程度。
杨氏模量则反映了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。
通过比较不同处理和变形条件下的材料力学性能，我们能够更好地理解其应力-应变行为，并为材料的设计和工程应用提供指导。
此外，通过与其他钢材进行比较和分析，我们可以评估DC04钢在钢铁行业中的性能地位和潜力。
在进行拉伸试样时，样品与拉伸轴相垂直的振动对其接触表面造成了严重的损坏。
这种损坏是由于波导和拉伸样品之间的接触引起的，从而导致了温度的升高。
然而，这种升高的温度远低于铁发生自扩散的温度。
具体来说，当样品受到轴向张力时，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剪切应力波。
对于受到轴向加载的样品，这种剪切应力波会加强应力场，从而产生更强烈的总应力。
如果材料的固有抗变形能力相同，那么在加上超声波振动的情况下，只需要较小的轴向力就能使金属发生形变，从而导致叠加超声波振动时的拉应力降低现象。
这些发现揭示了超声波振动对于材料性质的影响。
通过垂直振动的方式，超声波作用于拉伸试样，改变了样品表面的应力状态，从而导致了表面的损坏和温度升高。
然而，需要注意的是，在这些实验中，升高的温度远低于金属发生自扩散所需的温度。
结论本文研究了原位超声处理对拉变形下低碳钢（Fe–0.051C–0.002Si–0.224Mn–0.045Al）组织的影响。
详细的微观结构分析表明，超声波处理本质上改变了金属的变形特性，采用光学显微镜、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低角晶界分数显著减小，并伴有优先晶粒旋转，超声波的软化作用可以驱动与变形过程中亚晶粒形成的显着减少相关的恢复。
此外，通过比较同时应用超声波和不同时应用超声波而变形的样品的微观结构，表明由于准静态载荷和超声波的组合应用，亚晶粒形成的减少，但其不是两个因素单独作用的简单相加。
超声的效果可归因于其增强位错偶极子湮灭的能力。
叠加的超声波使脱位传播更长的距离，从而增加湮灭的可能性。