高強(qiáng)度噴丸對(duì)300M鋼抗疲勞性能的影響

盧國(guó)鑫，陸 峰

（北京航空材料研究院，北京100095）

0 引 言

300M鋼是一種低合金超高強(qiáng)度鋼，具有強(qiáng)度高、韌性良好、疲勞性能優(yōu)良、抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，是飛機(jī)起落架主要用鋼之一［1］。隨著飛機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)飛機(jī)起落架等主承力構(gòu)件壽命及可靠性等方面的要求越來(lái)越高［2］。

金屬材料的疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕破壞絕大部分起源于表面或近表面層，這是由試件或零件表面具有的獨(dú)特狀況而決定的。噴丸強(qiáng)化是工業(yè)上常用的提高材料抗疲勞性能的表面改性技術(shù)［3］，可在一定程度上改變材料的表面狀況，研究噴丸強(qiáng)化對(duì)表面粗糙度、顯微硬度、表面殘余壓應(yīng)力等表征材料表面完整性參量的影響具有重要意義。為提高300M鋼疲勞壽命，通常對(duì)300M鋼表面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，引入一定深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，并使其顯微組織發(fā)生轉(zhuǎn)變［4-5］。根據(jù) HB/Z 26-2007要求，對(duì)抗拉強(qiáng)度不小于1 400MPa的鋼零件，其噴丸強(qiáng)度（用標(biāo)準(zhǔn)弧高度試片A測(cè)定）一般不大于0.35mm，在該噴丸強(qiáng)度下鋼零件一般能獲得較優(yōu)的強(qiáng)化效果，疲勞性能也能較大幅度提高。但目前關(guān)于高強(qiáng)度噴丸（大于0.35mm）對(duì)300M鋼強(qiáng)化效果的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，作者選取2種高強(qiáng)度的噴丸工藝對(duì)300M鋼進(jìn)行了噴丸處理，對(duì)噴丸處理后300M鋼的表面形貌、顯微組織、疲勞性能等進(jìn)行檢測(cè)和分析，研究高強(qiáng)度噴丸對(duì)300M鋼抗疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用300M鋼采用真空感應(yīng)-真空自耗方法冶煉生產(chǎn)，熱處理工藝為870℃保溫30min，油冷，再300℃低溫回火2h（兩次），室溫組織為回火馬氏體＋殘余奧氏體，主要化學(xué)成分與力學(xué)性能見(jiàn)表1，2。將試驗(yàn)鋼制備成10mm×10mm×20mm長(zhǎng)方體試樣，噴丸面面積為10mm×10mm。

噴丸強(qiáng)化在氣動(dòng)式噴丸機(jī)上進(jìn)行，選取直徑為0.6mm的S230鋼丸，噴丸流量為8kg·min-1，通過(guò)改變噴丸壓力來(lái)控制噴丸強(qiáng)度，具體參數(shù)見(jiàn)表3，噴嘴與試樣距離為70cm。

表1 300M鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 300M steel（mass） %

表2 300M鋼的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 300M steel

表3 高強(qiáng)度噴丸工藝參數(shù)Tab.3 Parameters of high intensity shot peening process

1.2 試驗(yàn)方法

采用FEI QUANTA 600型掃描電子顯微鏡和MicroXAM型白光干涉形貌儀觀察不同噴丸強(qiáng)度噴丸處理后試樣的表面形貌；用HV-1000型顯微硬度儀測(cè)噴丸面?zhèn)让嬉欢ㄉ疃葍?nèi)顯微硬度分布，載荷4.9N，保持時(shí)間10s；利用X射線衍射結(jié)合電解腐蝕剝層的方法測(cè)噴丸面一定深度內(nèi)的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，應(yīng)力測(cè)試在X STRESS 3000型殘余應(yīng)力儀上進(jìn)行，測(cè)試參數(shù)為：鉻靶Kα射線，衍射晶面（211），交相關(guān)定峰法，準(zhǔn)直管直徑為3mm，管電流7mA，管電壓30kV；對(duì)未噴丸處理及噴丸處理后的300M鋼疲勞試棒（φ6mm，應(yīng)力集中系數(shù)Kt＝1）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力水平±750MPa（R＝-1），結(jié)果取3個(gè)試樣平均值；疲勞斷口在FEI QUANTA 600型掃描電鏡上觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

噴丸處理會(huì)引起表面粗糙度增大，工藝不當(dāng)甚至出現(xiàn)表面開(kāi)裂、脫層等表面損傷，破壞金屬材料的表面完整性，降低其抗疲勞性能。從圖1可見(jiàn)，未經(jīng)噴丸處理的原始300M鋼試樣表面存在明顯的切削刀痕，而經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣噴丸表面被彈坑完全覆蓋，切削刀痕已不明顯，說(shuō)明噴丸試樣表面覆蓋率已達(dá)到100%。

圖1 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣噴丸表面的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the shot peening surface of samples after shot peening in different intensities

從圖2可見(jiàn)，經(jīng)噴丸處理后，試樣縱向切削刀痕已被完全撫平，產(chǎn)生均勻分布的較大深度的彈坑。從圖3可知，未進(jìn)行噴丸處理的原始試樣與噴丸強(qiáng)度分別為0.424，0.576mm時(shí)試樣的表面粗糙度分別為0.68，2.28，2.58μm。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣噴丸面起伏波形中波峰波谷處曲率半徑增大，緩解了原始刀痕尖銳程度會(huì)減小試樣在服役過(guò)程中由原始切削刀痕發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。噴丸后試樣表面形貌的特點(diǎn)是連續(xù)相鄰的缺口，根據(jù)Neuber提出的拉伸載荷作用下表面應(yīng)力集中系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式［6］，如式（1）所示，可得到噴丸處理后表面形貌變化對(duì)材料理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt的影響規(guī)律。

式中：Rz為微觀不平度高度，是表面粗糙度參數(shù)之一；ρ為缺口底部的曲率半徑；λ為不平度間距與高度之比的相關(guān)系數(shù)，機(jī)械加工表面通常取1［7］。

圖2 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣噴丸表面的三維形貌Fig.2 3Dmorphology of the shot peening surface of samples after shot peening in different intensities

圖3 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣表面的輪廓曲線Fig.3 Surface fluctuation of samples after shot peening in different intensities

由于噴丸處理中選取的彈丸尺寸不變，噴丸面彈坑曲率半徑認(rèn)為大致相同，ρ＝0.6mm，此時(shí)影響應(yīng)力集中系數(shù)的主要因素就只有Rz。高強(qiáng)度噴丸處理產(chǎn)生的Rz過(guò)高，導(dǎo)致試樣表面的Kt增大，使試樣表面發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，噴丸面發(fā)生“應(yīng)變硬化”，顯著降低了材料塑性和韌性，會(huì)使其在服役前或服役中產(chǎn)生微裂紋，并加速裂紋的擴(kuò)展。

2.2 殘余應(yīng)力場(chǎng)分布

圖4 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣殘余應(yīng)力沿深度方向的分布Fig.4 Residual stress distribution along the deepness in samples after shot peening in different intensities

噴丸處理后，試樣表面層形成一定程度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，可有效阻止疲勞裂紋萌生和降低擴(kuò)展速率［8］，使材料抗疲勞性能提高。由圖4可見(jiàn)，由于機(jī)械加工的影響，原始試樣表面引入了較小深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)；高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣表面層形成較高的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，具體特征參數(shù)見(jiàn)表4。由表可知，經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度噴丸處理后，表征噴丸后試樣殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的4個(gè)特征參數(shù)均隨噴丸強(qiáng)度的提高而增大。一般來(lái)講，噴丸形成較高的殘余壓應(yīng)力和較深的噴丸強(qiáng)化層能提高材料的表面疲勞極限，從而增強(qiáng)材料的抗疲勞性能。

表4 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣表面層殘余壓應(yīng)力場(chǎng)特征參數(shù)Tab.4 Characteristic parameters of surface residual compressive stress field in samples after shot peening in different intensities

2.3 顯微硬度分布

噴丸強(qiáng)化處理是試樣表面經(jīng)受循環(huán)載荷作用并不斷發(fā)生循環(huán)塑性變形的過(guò)程，近年來(lái)有學(xué)者提出噴丸強(qiáng)化的顯微組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)化機(jī)制［4］，證實(shí)了噴丸引起的材料強(qiáng)、硬度升高有利于材料抗疲勞性能的提高。從圖5可見(jiàn)，原始試樣顯微硬度大致為590HV，經(jīng)過(guò)0.424，0.576mm 高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣表面顯微硬度分別達(dá)到620，640HV。噴丸處理使300M鋼試樣基體位錯(cuò)密度升高，位錯(cuò)增殖阻礙了材料進(jìn)一步發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生一定的應(yīng)變硬化。應(yīng)變硬化程度隨噴丸強(qiáng)度提高而增大。

圖5 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣顯微硬度沿深度方向的分布Fig.5 Microhardness distribution along the deepness in samples after shot peening in different intensities

2.4 抗疲勞性能

噴丸強(qiáng)化主要通過(guò)改變材料表層粗糙度、表層顯微組織以及引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)等來(lái)影響材料的耐磨性和抗疲勞性能。文獻(xiàn)［9］通過(guò)試驗(yàn)得到中強(qiáng)度噴丸可使300M鋼疲勞壽命獲得成倍的提高。試驗(yàn)得到表面未噴丸強(qiáng)化300M鋼試樣在±750MPa應(yīng)力水平下的疲勞壽命為3.6×104周次，經(jīng)0.424，0.576mm高強(qiáng)度噴丸后，其疲勞壽命分別達(dá)到4.58×104，5.31×104周次，比噴丸強(qiáng)化前分別提高27%，48%，提高幅度均相對(duì)較小。

圖6 不同噴丸強(qiáng)度噴丸后試樣的疲勞斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fatigue fracture of samples after shot peening in different intensities

從圖6可見(jiàn)，噴丸強(qiáng)化后斷口為典型的疲勞斷口，較為平坦，表面為深灰色；疲勞區(qū)面積較大，疲勞裂紋全部萌生在表面，均出現(xiàn)多個(gè)裂紋源；裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中因前沿的阻力不同導(dǎo)致擴(kuò)展方向上的偏離，不同的斷裂面相交而形成疲勞臺(tái)階、河流花樣；在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下，斷口瞬斷區(qū)均位于試樣內(nèi)部。裂紋萌生具有強(qiáng)烈的擇優(yōu)性，群體行為明顯。在疲勞過(guò)程中雖然平均應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，但由于應(yīng)力集中導(dǎo)致局部應(yīng)力已超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在交變應(yīng)力作用下最終會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。

噴丸強(qiáng)化通過(guò)在金屬表層引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和組織變化來(lái)提高材料的疲勞壽命。一般來(lái)講，經(jīng)適當(dāng)?shù)膰娡韫に囂幚砗?，金屬表層引入一定深度的殘余壓?yīng)力且表面粗糙度不高，金屬材料的疲勞裂紋一般起始于亞表面，噴丸后材料的疲勞壽命往往都有顯著提高［10］。300M鋼經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度噴丸處理后，獲得了較高的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和表面顯微硬度，同時(shí)試樣的表面粗糙度也較高，致使其應(yīng)力集中系數(shù)較大，名義應(yīng)力高，疲勞源的數(shù)目增多且萌生于試樣表面，材料表面較高的表面粗糙度是試樣的疲勞壽命在較大殘余壓應(yīng)力狀態(tài)沒(méi)有明顯提高的主要原因。

3 結(jié) 論

（1）300M鋼經(jīng)高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣表面完整性參數(shù)發(fā)生明顯變化，表面完全被彈坑覆蓋，表面粗糙度顯著提高。

（2）300M鋼經(jīng)高強(qiáng)度噴丸處理后，試樣表層形成較高的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，表面顯微硬度提高。

（3）300M鋼經(jīng)高強(qiáng)度噴丸處理后，疲勞壽命有小幅度提高，較高的表面粗糙度造成的應(yīng)力集中以及微裂紋的產(chǎn)生是其疲勞壽命沒(méi)有明顯提高的主要原因。

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