凯发国际首页 噴丸強化對0Cr13Ni8Mo2Al鋼疲勞性能的影響

摘要: 研究了表面噴丸強化后表面殘余應力、 表面粗糙度和表面層殘余壓應力場對 0Cr 13N i8M o 2Al鋼疲勞性能的影響。 結果表明: 0Cr 13Ni8M o 2Al鋼經噴丸 強化后 , 在表面層殘余壓應力場的作用下疲勞裂紋源由表面被 “驅趕” 到表面強化層下 , 疲勞壽命得到顯著提高。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
關鍵詞: 噴丸 ; 殘余應力 ; 疲勞裂紋源

0Cr 13Ni8M o2Al是沉淀強化馬氏體不銹鋼 , 具有高強度和高硬度以及優良的抗腐蝕性能 , 而且塑性好以及無明顯的各向異性等優良特性 , 在航空工業上具有廣闊的應用前景 , 可用來制造高強度的大截面尺寸構件 [1 ]。 機械零部件在使用過程中經常發生失效事故 , 其主要表現為疲勞斷裂和應力腐蝕開裂 [2, 3 ] ,因此必須通過表面強化改善材料的疲勞性能和提高其應力腐蝕抗力。 工程上已有了多種表面強化工藝 , 如表面冷作變形、 表面化學熱處理、 表面離子注入、 表面激光處理等 [4 ] , 其中應用最廣泛的是表面噴丸強化 ,它具有設備簡單、 操作方便、 節能省時、 成本低廉和效 果 顯 著 適 應 面 廣 等 優 點。 本 工 作 研 究0Cr13Ni8M o2Al鋼表面噴丸強化優化工藝和表面噴丸強化對疲勞性能的影響。
1 試驗材料與試驗方法
試驗材料采用 0Cr 13Ni8M o2Al馬氏體不銹鋼 ,熱處理規范為 925℃× 1h固溶+ 540℃× 4h 空冷。 其化學成分 (質量分數 ,% ) 為 0. 031C, <0. 10M n,0.10Si, 0. 0072P, 0. 0016S, 12. 44Cr, 8. 53Ni,2.24Mo , 1. 06Al, <0. 10Cu, 0. 0018N, 余為 Fe。
室溫拉伸性能: eb 為 1481M Pa, e0. 2為 1432 M Pa , j為 57. 9% , W5 為 11. 2% 。
噴丸強化規范如表 1所示 , 對不同強化規范下噴丸處理后的表面粗糙度進行測定。在室溫下進行光滑試樣旋轉彎曲疲勞試驗 , 試驗機型號為 PQ6-2, 頻率為 3000r /min, 在 900M Pa應力水平下對比經不同噴丸強化規范進行表面強化處理后的疲勞壽命。在室溫下用 JSM -5600LV 型電子掃描顯微分析儀觀察疲勞斷口形貌并確定疲勞裂紋源位置。
表 1 噴丸強化工藝參數


工藝序號 噴丸強度 f A 彈丸材料和名義尺寸表面覆蓋率和噴丸時間
噴 A 0. 30mm 鑄鋼 , φ0. 79m m 100% , 40s
噴 B1 0. 20mm 鑄鋼 , φ0. 50m m 100% , 40s
噴 B2 0. 20mm 鑄鋼、 φ0. 50m m 200% 、 120s
噴 C1 0. 15mm 玻璃 , φ0. 35m m 100% , 40s
噴 C2 0. 15mm 玻璃 , φ0. 35m m 200% , 120s
噴 D 0. 10mm 玻璃 , φ0. 15m m 100% , 60s

未噴丸試樣表面的機加工殘余應力層用電解拋光法加以去除 , 噴丸強化試樣采用逐層電解拋光 , 并在 300型 X射線應力儀上測定殘余應力沿層深的分布 , 試驗測試條件: Cr-Kα靶 , 衍射面 ( 211) , 管流3m A, 管壓5kV, 轉角 0～ 45°, 采用半高寬法定峰。
2 試驗結果與討論
噴丸強化前后表面粗糙度的變化如下表 2所示 ,經噴丸后表面粗糙程度有所增加 , 而且隨著彈丸名義尺寸和噴丸強度的增加表面粗糙度 Ra值明顯增加 ,但名義尺寸最小的彈丸噴出的試樣的表面粗糙度 Ra值與磨加工試樣表面非常接近。

表 2 表面粗糙度試驗結果

規范 未噴 U 噴 A 噴 B1 噴 B2 噴 C1 噴 C2 噴 D
Ra /μm 0.9～1. 1 3. 5～4.8 1. 8～2.3 2. 1～2. 25 1. 25～1. 4 1. 2～1. 35 0.8～1. 3

噴丸強化前后的殘余應力如圖 1所示。可知噴丸前試樣僅在 40μm內存在殘余壓應力而且最大壓應力為 - 196M Pa , 經噴丸強化后表面層殘余應力不僅均為壓應力而且殘余壓應力場比較深。采用大彈丸高強度噴丸時殘余壓應力場較深 (約 230μm ) ,而小彈丸低強度噴丸時殘余壓應力場深度變小 (約 100μm)。另外噴丸強化試樣的最大殘余壓應力數值接近為一常數( - 1220M Pa) , 與噴丸強化規范無關。

圖 1 試樣噴丸強化前后的殘余應力場

不同噴丸強化規范處理后光滑試樣在 900M Pa應力水平下的室溫疲勞壽命試驗結果如表 3所示。由表可知噴丸強化效果最佳工藝規范為 D規范 , 在此規范下噴丸強化的試樣疲勞壽命比未噴丸強化試樣的壽命提高了 2個數量級。
噴丸強化和未噴丸強化試樣疲勞斷裂斷口形貌示于圖 2。可以看出 ,未噴丸強化試樣的疲勞裂紋源多個而且位于試樣表面 , 經噴丸強化后疲勞裂紋源為單源且位于次表面層。

圖 2 未噴丸 ( a) 和噴丸 ( b) 強化試樣的疲勞斷口

噴丸強化時在表面層產生了激烈的變形 , 一方面在表面層引入了殘余壓應力場 , 另一方面引起表面粗糙度的變化 , 這些變化對疲勞性能均有影響。無論采用何種噴丸強化規范進行強化 , 其疲勞壽命都得到了提高 (表 3)。噴丸強化后表面粗糙度 Ra數值的增加應該降低疲勞壽命 , 所以噴丸強化提高疲勞壽命的原因應歸于表面層有利的殘余壓應力場。

表 3 壽命對比疲勞試驗結果


未噴丸強化疲勞試樣的疲勞裂紋源在表面而且多元化 , 噴丸強化后疲勞試樣的疲勞裂紋源在表面層下的拉應力區而且為單源 (見圖 2)。文獻 [5 ]指出了表面強化后疲勞裂紋源在次表面層的主要原因是表面層殘余壓應力場的作用 , 因為表面層殘余壓應力的存在使得外加拉應力與殘余壓應力疊加后的最大 “有效拉應力” 不在表面而在次表面層的殘余拉應力區。
但疲勞裂紋源要在最大 “有效應力” 處的次表面層萌生其臨界應力比在表面萌生時要大 , 因為表面晶粒內位錯受約束小容易滑移和開動 , 而在次表面層位錯受周圍晶粒約束和需要周圍晶粒的協調所以不易開動故臨界應力高。疲勞裂紋源萌生于表面層下時的臨界應力被稱為內部疲勞極限 (ewi ) ,相對而言疲勞裂紋源在表面產生時的臨界應力稱為表面疲勞極限 (ews ) ,研究表明兩者存在著如下的關系 [5- 7 ]:
ewi = ( 1. 35～ 1. 40) ews ( 1)
噴丸強化引入的表面層殘余壓應力對改善疲勞性能來說非常有利 , 屬于強化因素 ; 但噴丸強化時造成的表面粗糙度增加卻是不利的 , 是弱化因素。表面粗糙度的增加相當于增加了缺口的敏感度 , 加劇了材料局部的應力集中 , 這會大大降低材料的疲勞性能。
由表 2和表 3可知 , 噴丸強化后表面粗糙度對0Cr13Ni8M o2Al鋼疲勞性能的影響比較大 , 噴丸強化后 Ra數值越大疲勞壽命越低 , 不同的噴丸強化規范下疲勞壽命相差一個數量級 , 因此表面粗糙度的改善對提高該材料的疲勞壽命非常重要。另外殘余壓應力場深 (如 A和 B規范 ) 的試樣的疲勞壽命因為表面粗糙度較大反而降低 , 這表明材料的塑性較好表面粗糙度對噴丸強化規范敏感 , 表面粗糙度對疲勞性能的影響大 , 因此對該材料進行噴丸強化時必須綜合考慮表面層殘余壓應力和表面粗糙度的影響。本文由 吊鉤式拋丸機 廠家整理
3 結論
( 1) 0Cr13Ni8M o2Al鋼噴丸強化須兼顧表面層殘余壓應力和表面粗糙度的影響 , 噴丸強度低時噴丸強化效果較好。
( 2) 噴丸強化引入的殘余壓應力場將疲勞裂紋源由表面 “驅趕” 到次表面層 , 顯著提高了疲勞壽命