凯发国际娱乐官网入口 噴丸強化對純鈦馬氏體疲勞性能的影響

摘 要 :對六方金屬純鈦馬氏體進行噴丸強化 , 觀察強化層疲勞前后顯微組織結構和殘余應力的變化 , 測定強化層內的顯微硬度 。 試驗結果表明 :噴丸強化層組織中有高密度位錯 、變 形孿晶和變形帶產生 , 變形孿晶交織成柵欄結構 ;顯微硬度顯著提高 ;殘余壓應力在疲勞加載中部分松馳 。 并依上述分析對噴丸提高疲勞強度的機理進行解釋 。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
關鍵詞 :馬氏體 ;顯微組織 ;變形帶 ;顯微硬度 ;殘余應力

在表面強化技術中 , 作為機械方式的強化方法 ,主要是噴丸和滾壓 。大量的實驗數據和工業應用表明〔1 -5〕 ,噴丸 , 滾壓等表面機械強化引起粗糙度 、表面組織及殘余應力的變化 , 這對于改善材料的表面性能 ,提高零件表面的耐磨性 ,抗疲勞性 , 延長其使用壽命等具有重要意義 。而噴丸強化技術 , 因其簡便易行 、低投入高產出 、立竿見影的特點 , 在工業和實際工程中得到廣泛的應用〔6〕 。
在前期對純鈦退火態噴丸和滾壓表面機械強化研究〔4 -5〕的基礎上 , 分析了噴丸強化三因素(組織結構 、應力狀態和表面粗糙度)對六方金屬純鈦馬氏體疲勞性能的影響 。
1 實驗方法
試驗用工業純鈦為厚度 10mm 的退火板 TA2(西北有色金屬研究院提供), 線切割加工成尺寸為10mm ×20mm ×100mm 的條形試樣 。試樣化學成分為(%):Fe 0.11 , O 2 0.12 , H2 0.001 , C 0.01 , N 20.
02 , Si <0.04 。 條 形試 樣 在 910 ℃加 熱 保 溫10min ,油淬 , 獲得淬火 α′馬氏體 ,其光學形態(OM )
是針狀組織 , 在電子顯微鏡(SEM 和 TEM )下為板條狀 ,亞結構中位錯密度較高 ,沒有相變孿晶出現 。
噴丸 工藝 參數 :鑄鋼 丸直 徑 0.3mm , 噴 距100mm ,氣壓 0.4M Pa ,噴丸強度 0.19mmA , 覆概率200 %。三點彎曲條件疲勞強度(R =0.1 , 106 周次)在 Am sler-5100 疲勞試驗機上測定 。顯微硬度測定用 Neophot-30 型金相顯微鏡 ;TEM 樣品薄膜在加速電壓為 160kV 的 JEM-200CX 型透射電鏡上觀察 。殘余應力測定用 D/max- Ⅲ型 X 射線衍射儀 ,剝層用 10 %HF +5 %HNO3 +85 %H2O , 其中疲勞后試樣測量較大拉應力處的殘余應力 。
2 實驗結果
2.1 噴丸對顯微硬度分布的影響
圖 1 為 TA2 噴丸強化區沿層深方向的顯微硬度分布測定結果 。可見 ,在 TA2 試樣噴丸表面層約小于 30μm 深度內產生明顯的硬化效果 。這是由于噴丸過程是將大量高速運動的彈丸噴射到零件表面上 ,使表層材料產生較大的塑性變形 ,結果形成*定層深的硬化層 。

圖 1 噴丸強化層顯微硬度-層深分布曲線

2.2 噴丸改善疲勞強度的機理
六方金 屬 TA2 純鈦 馬氏 體的 疲勞強 度為420MPa , 經噴丸處理的試樣疲勞強度為 490M Pa ,約提高 16.7 %。疲勞強度的這種變化可歸于噴丸三因素組織結構 、應力狀態和表面粗糙度對疲勞強度的不同貢獻 。

2.2.1 表層殘余應力的影響 。噴丸強化在試樣表面產生明顯的殘余壓應力 , 圖 2 為噴丸試樣疲勞試驗前后的表面層殘余應力隨層深變化的測試結果 。
殘余壓應力隨強化層深的增加 ,逐漸降低,到*定層深后 ,殘余壓應力隨層深僅有微小變化 ,此時的應力值可以看作為基體材料的殘余應力水平 。由圖 2 可見,通過噴丸處理使 TA2 馬氏體疲勞前表面殘余壓應力較原始材料提高接近 3 倍。但是, 在疲勞加載過程中,殘余壓應力層部分地松弛 ,結果是表層應力與基體材料基本相同 ,甚至在層深 25μm 左右出現低于基體材料的壓應力較小峰值 。

1-噴丸前;2-噴丸后
圖 2 噴丸前后殘余應力-層深分布曲線

2.2.2 表面粗糙度的影響。噴丸強化試樣表面10mm ×100mm 的表面粗糙度 Ra 為 2.5μm , 未噴丸試樣為 0.32μm 。可見, 噴丸引起粗糙度的增加,從而對疲勞強度有*定的負面影響。
2.2.3 表面層組織結構的影響 。對強化層組織的TEM 分析表明 ,在噴丸強化層馬氏體中出現高密度位錯和變形孿晶(圖 3a),不同位向的變形孿晶相互交織形成了不連續的孿晶柵欄(圖 3b),同時伴有大量平行排列的變形帶產生。歷經 106 以上循環周次后 ,組織結構的變化較小,位錯密度和變形孿晶數量進*步增加 ,特別是變形孿晶數量的增加(圖 3c),平行方式排列的變形帶在局部地點產生扭折或斷開(圖 3d)。變形帶的外觀和條狀馬氏體十分相似 ,呈條狀 ,內部具有極高的位錯密度。選區電子衍射分析發現 :*個變形帶范圍內只有*組電子衍射花樣,
這意味著各變形帶的方位*致, 即帶區部位的晶體在變形過程中構造仍維持原樣, 塑變只是通過晶面間的互相錯動來完成 , 各變形帶間的方位只有微小的角度差別 。

(a)滑移和孿生的關系;(b)孿晶柵欄;(c)變形孿晶和高密度位錯;(d)變形帶
圖 3 噴丸強化層的 TEM 照片

3 分析與討論
噴丸是*循環塑性變形過程 , 由于晶體結構不同 ,噴丸強化表層組織結構也產生差異 。在立方合金不銹鋼中主要是各種類型的位錯組態和變形帶結構〔2〕 ,而在六方金屬中則是高密度位錯 、變形孿晶和變形帶結構〔4 -5〕 。雖然孿生是金屬中的*種基本塑性變形方式 ,在六方結構金屬低溫塑性變形中起著重要作用 , 但是孿生對塑性變形量的貢獻非常有限 ,它主要是通過改變晶體位向 ,激發新的滑移來完成塑性變形 。
噴丸強化層高密度位錯的來源是由于金屬表層經受了激烈的塑性變形過程 , 使位錯滑移并大量增殖 ,結果表層馬氏體基體內部的位錯密度急劇增加 。
變形孿晶的產生可以看成兩個過程 :孿晶核胚的形成和孿晶的長大 。金屬強化表層*先發生滑移 , 產生高密度位錯塞積 , 為孿晶核胚的萌生提供條件 , *部分晶粒來不及滑移變形 , 從而在晶界或位錯塞積處發生孿生變形 ,釋放局部應力集中 ,而孿生變形所形成的孿晶界又起細化基體組織的作用 。圖 3a 中 ,標明 A 、B 、C 的三個馬氏體條內的位錯組態清楚地表明滑移位錯和孿生切變之間的關系 , 三個條狀馬氏體中均有高密度位錯 , A 中組態完全為位錯塞積 ;
B 中是在位錯塞積處形成細小的變形孿晶(箭頭所指);C 中則已經形成平行排列的粗大變形孿晶 。噴丸過程需要持續*定的時間 , 因此 ,六方金屬不同時期形成的變形孿晶之間的作用易于形成孿晶柵欄結構 ,而這種結構又能有效地阻止疲勞裂紋的早期萌生 。
在噴丸強化組織中極易出現變形帶〔2 , 4 , 5〕 。本試驗中的變形帶組織同 Moskalenko 等〔7〕在拉伸退火 α-Ti 等軸晶粒中觀察到的重取向帶(Reorientation bands)相似 , 它是由平行于 c 軸的 、符號相反的刃型位錯組成的交變區域 。
殘余壓應力能顯著延緩裂紋擴展 , 對推遲裂紋萌生也有*定的影響 。但是 ,對疲勞性能的提高起著重要作用的是在工作應力下經衰減后實際存在的殘余應力 , 而不是噴丸所獲得的原始殘余應力值 。
因此 ,試驗條件下可以說殘余應力對疲勞強度提高的貢獻大大降低 ;噴丸提高了試樣表面粗糙度 , 加速裂紋萌生 ,降低疲勞強度 。
可見在噴丸三因素中 ,疲勞強度提高的主要因素是組織結構 ,這是由于組織中高密度位錯或孿晶柵欄結構能延緩裂紋萌生 ,變形孿晶穿越馬氏體也在*定程度上分割細化基體材料組織 。
4 結論
(1)噴丸強化可使純鈦馬氏體的疲勞強度提高約 16.7 %。
(2)噴丸強化表面層具有較高的表面粗糙度和初始表面殘余壓應力 , 殘余壓應力在疲勞加載中部分松弛 。
(3)近表面強化層組織中形成的高密度位錯和大量變形孿晶是疲勞強度提高的主要因素 。本文由 吊鉤式拋丸機 整理