凯发国际 噴丸強化對12Cr馬氏體熱強鋼疲勞性能的影響

摘　要：對１２Ｃｒ馬氏體熱強鋼１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ進行不同工藝的噴丸。研究了不同工藝產生的殘余應力場分布和１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼室溫及高溫疲勞性能。結果表明，噴丸強度和表面覆蓋率共同影響１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼殘余應力場分布；１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼室溫疲勞性能主要與噴丸強度有關，經過特定工藝噴丸后，室溫疲勞性能提高了６倍；表面覆蓋率對１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼室溫疲勞性能影響較小 ，對高溫疲勞性能具有明顯的影響，經過０．１２Ａ、１００％覆蓋率噴丸后，高溫疲勞性能提高了２倍，表面覆蓋率升高將導致１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼高溫疲勞性能下降，當覆蓋率提高到４００％，高溫疲勞壽命基本沒有提高，與原始試樣相當。

關鍵詞：殘余應力；噴丸；室溫疲勞；高溫疲勞；表面覆蓋率
０　引　言
１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ是*種含１２％Ｃｒ的馬氏體熱強不銹鋼〔１２〕。該鋼具有較高的中溫抗蠕變性能和抗腐蝕性能，良好的焊接性能和成型性能，可在５００℃以下使用。該型號熱強鋼導熱性較好，線膨脹系數小，有較高減振性，在先進發動機上得到廣泛應用。發動機零件在中高溫環境服役，隨著發動機整體振動的影響，承力部位會受到高周疲勞的作用，容易發生疲勞失效。噴丸強化是目前航空工業較常用的抗疲勞強化技術，噴丸在金屬表面產生彈塑性形變梯度，主要強化機制是殘余壓應力強化和組織強化作用〔３６〕。殘余應力對其疲勞性能影響的主要表現為殘余壓應力使疲勞斷裂抗力增高，而殘余拉應力使疲勞斷裂抗力下降〔７８〕，噴丸產生的殘余壓應力場*般可提高金屬構件的疲勞壽命。目前，國內對于１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ等熱強不銹鋼噴丸強化殘余應力的研究還比較少〔９〕，噴丸參數（噴丸強度和表面覆蓋率）對于殘余應力以及室溫高溫疲勞性能影響還沒有做過相關研究。此外，表面覆蓋率是*種重要的噴丸控制參數，在國外已經有*些關于表面覆蓋率影響噴丸強化效果的研究〔１０〕，而在國內，相關的研究報道還不常見〔１１〕。文中研究針對發動機用熱強不銹鋼，分析了噴丸強度和表面覆蓋率這兩個重要噴丸檢驗參數對其殘余應力以及高溫、室溫疲勞性能的影響。
１　材料與試驗
研究材料是撫鋼冶煉的馬氏體熱強不銹鋼１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ。其名義成分（質量分數）與力學性能如表１和表２所示。

表１１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的名義成分（質量分數）

表2１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的室溫力學性能

采用方塊試樣測試殘余應力場，在院標Ｑ／６Ｓ９７７〔１０〕中選擇高溫與室溫的旋轉彎曲疲勞試樣，見圖１和圖２。



圖１光滑旋轉彎曲疲勞試樣（室溫）〔１２〕

圖２光滑旋轉彎曲疲勞試樣（高溫）

在氣動式噴丸機上，按照航空工業標準ＨＢ／Ｚ２６，采用鑄鋼彈丸Ｓ２３０（名義直徑０．６０ｍｍ）對試樣分組進行噴丸，噴丸后檢驗參數如表３所示。其中ＡＲ組為未噴丸的原始試樣，原始試樣經過精磨，表面粗糙度犚ａ為０．４μｍ。噴嘴與試樣的距離為１３０ｍｍ，與試樣法線夾角為９０°，并采用放大鏡進行觀察表面覆蓋率。

表３１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼噴丸檢驗參數

殘余應力場測試采用Ｘ射線衍射測試＋電解減薄交替的方法完成，Ｘ射線衍射殘余應力測試采用Ｘｓｔｒｅｓｓ３０００型Ｘ射線衍射殘余應力測試儀，靶材為ＣｒＫα靶。按ＨＢ５１５２要求進行了室溫旋轉彎曲疲勞試驗，應力幅為８００ＭＰａ；按ＨＢ５１５３要求進行了高溫高周旋轉彎曲疲勞試２８第２期王欣，等：噴丸強化對１２Ｃｒ馬氏體熱強鋼疲勞性能的影響驗，溫度為５００℃，應力幅為５００ＭＰａ。高溫疲勞試驗進行到１×１０４、２×１０４、５×１０４、１×１０５周次時，各取出３件試樣進行表面殘余應力測試，確定高溫服役時應力松弛曲線。

２　結果與分析

２．１　殘余應力分布
圖３可知，原始試樣經過精磨，表面存在數值深度均很小的殘余壓應力。噴丸后殘余應力場發生了重大改變。值”〔６〕———表面殘余應力、較大殘余應力、較大殘以下采用“四特征余應力對應深度以及應力場深度表征其殘余應力場：①相比磨削試樣，表面殘余壓應力數值明顯增大（４５０ＭＰａ～６２０ＭＰａ）；②隨著表面覆蓋率以及噴丸強度的增大，表面殘余壓應力減小（６１８ＭＰａ到５５０ＭＰａ再到４７０ＭＰａ）；③較大殘余應力值（７５０ＭＰａ左右）基本不變；④較大殘余應力對應深度值，隨著噴丸強度以及表面覆蓋率的增大而增大；⑤殘余應力場的深度隨著噴丸強度的增大而增大。

圖３１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼表面殘余應力分布

*先，殘余應力是*種金屬由于彈塑性形變產生的內應力，噴丸殘余應力的實質是通過彈丸沖擊，使表面層發生彈塑性形變和加工硬化，約束次表層彈性形變而產生的內應力。隨著噴丸強度和噴丸覆蓋率的增大，表面加工硬化（塑性形變）加劇〔１３〕，造成表面屈服而發生殘余應力松弛，因此表面殘余壓應力數值隨噴丸強度和噴丸覆蓋率的增大而減小。其次，噴丸產生的較大殘余壓應力是表面層組織的彈性形變受到塑性形變的約束達到“極限”的結果，較大殘余壓應力處的彈性形變量較大，且代表該材料噴丸后能夠達到的較大彈性形變量，因此是該材料噴丸后表現的*種本征屬性（約為０．７５σ０．２）。此外，噴丸強度與噴丸能量成正比，噴丸能量增大，則導致噴丸強化影響層加深，使殘余壓應力場深度增加。
２．２　室溫疲勞性能
圖４為噴丸后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼室溫的平均疲勞壽命對比。圖４可知，在室溫、８００ＭＰａ應力幅的疲勞試驗條件下，原始試樣的疲勞壽命約為２００００周次，經過不同參數噴丸強化后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的疲勞壽命均有*定的增加。增幅較大的是經過ＳＰ４組噴丸后，疲勞壽命為１５００００周次左右，增長了６倍；壽命增益較小的ＳＰ５組噴丸后，疲勞壽命為５００００周次，增長了２倍。隨著噴丸強度的增長，１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的疲勞壽命呈現先上升再下降的趨勢。此外，經過相同噴丸強度，不同表面覆蓋率噴丸后，疲勞壽命基本相同。噴丸提高鋼的室溫疲勞性能并不少見，下面著重分析噴丸工藝對于表面完整性和室溫疲勞的影響。噴丸后鋼表面主要有殘余應力、表面形貌和組織等三個重要的表面完整性變化，噴丸工藝實施后，殘余壓應力場數值越大，深度越深，噴丸后表面越平整，加工硬化越劇烈，則室溫疲勞性能越好。

圖４不同工藝噴丸后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼疲勞壽命

當噴丸強度從０．１２Ａ提高到０．１５Ａ時，表面殘余壓應力數值降低了１３％（從６００ＭＰａ降低到５２０ＭＰａ），且表面粗糙度隨噴丸強度增大有*定提高，但殘余壓應力層的深度增大了３７％３８中　國　表　面　工　程２０１２年（從１６０μｍ提高到２２０μｍ），殘余應力場深度加深帶來的強化效果大于表面殘余應力減小和粗糙度上升帶來的不利影響，因此，ＳＰ４組疲勞壽命長于ＳＰ１組。當噴丸強度從０．１５Ａ提高到０．１８Ａ時，強化層深度增加（從２２０μｍ提高到２３０μｍ）帶來的優化效果有限，而表面殘余壓應力數值進*步減小（從５２０ＭＰａ降低到４７０ＭＰａ），且粗糙度繼續增長，因此，強度增加帶來的弱化因素大于強化因素，使得ＳＰ５組疲勞性能較ＳＰ４組有所下降。結果表明，對于熱強鋼，噴丸強度有*個臨界值，大于或小于該值時，都不利于疲勞壽命優化，需要在工業應用中引起注意。此外，經過不同表面覆蓋率、相同噴丸強度的ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３組室溫疲勞壽命比較接近，說明１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的室溫疲勞性能與噴丸強度相關，噴丸表面覆蓋率關聯較小。
２．３　高溫疲勞性能
圖５為不同覆蓋率噴丸后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼５００℃下平均疲勞壽命對比。從圖５可知，在５００℃、５００ＭＰａ的旋轉彎曲疲勞試驗條件下，原始試樣的疲勞壽命為４２００００周次左右，經過１００％和２００％表面覆蓋率噴丸后疲勞壽命分別提高了１１４％和７８％，而經過４００％表面覆蓋率噴丸后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的疲勞壽命基本沒有提高。試驗結果說明：①隨著表面覆蓋率的提高，１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼的高溫高周疲勞性能下降；②在高溫疲勞試驗下，噴丸的強化延壽效果有*定的減弱。對于表面覆蓋率提高對高溫疲勞性能的不利影響，從殘余應力角度可以有如下解釋。噴丸在１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼表面產生了高位錯密度組織，組織內表面能較大，且表面能隨噴丸表面覆蓋率增大而增大，在溫度場的驅動下，表面能越大，殘余應力越不穩定，因此，在高溫下，高表面覆蓋率產生的殘余應力容易松弛，如圖６。圖中說明噴丸殘余應力在高溫疲勞的較初周次內迅速下降而后趨于穩定。超高覆蓋率的ＳＰ３組高溫疲勞下穩定時殘余應力約為３２０ＭＰａ，比噴丸后即測的殘余應力衰減了４０％，而覆蓋率較低的兩組僅衰減了３０％和３１％。由于殘余壓應力的松弛，殘余壓應力抵抗外加拉載荷的作用削弱，強化效果下降，對１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼噴丸表面覆蓋率越高，高溫疲勞壽命越短。

圖５不同表面覆蓋率噴丸后１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼高溫疲勞壽命

圖６經過*定疲勞周次后的表面殘余應力Ｆｉ

3、結　論
（１）１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼噴丸后，殘余壓應力場分布受到噴丸強度和表面覆蓋率的共同影響，表面殘余壓應力隨噴丸強度和表面覆蓋率的增大而減小，殘余壓應力場深度隨噴丸強度的增大而增大。
（２）當１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼在室溫疲勞時，存在*個噴丸強度的臨界值，大于或小于該值，都不能有效提高該材料的室溫疲勞壽命，而表面覆蓋率變化對于１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼室溫疲勞壽命影響不大。
（３）噴丸表面覆蓋率對１Ｃｒ１２Ｎｉ３Ｍｏ２ＶＮ鋼高溫殘余應力穩定性有重要影響，隨表面覆蓋率增大，高溫下殘余應力穩定性下降，超高表面覆蓋率噴丸后，高溫疲勞性能與未噴丸的原始試樣相近。

參考文獻
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