表面噴丸工藝提高金屬材料疲勞性能試驗分析*

史浩鵬, 楊 軻, 陳麗娜, 馬凡琳

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關鍵字：表面強化；噴丸；疲勞壽命；殘余應力

0 引 言

金屬材料的許多失效形式都是起源于材料的表面[1-2]，例如疲勞斷裂、磨損、腐蝕等等。這幾種破壞形式所帶來的損失也是十分巨大的，在美國每年因為磨損所造成的材料失效超過千億美元，在我每年因為腐蝕失效而造成的直接經(jīng)濟損失同樣高達400億，正是這樣的高額損失，人們對金屬及金屬表面質(zhì)量提出了更高的要求，例如高強高硬、耐磨耐蝕耐高溫以及良好的抗疲勞性能等，符合這些要求的金屬材料才可以在高溫高壓高速等惡劣工況條件下發(fā)揮出良好的服役性能。

目前就針對以上情況的材料改性主要有兩種方式，一種是合金化的方式既在冶煉的過程中加入特定的元素來提高材料的某種性能。而另一種則是對已經(jīng)成型的坯料或工件進行特殊處理，其中最常見的就是表面強化[3]，進而提高材料的性能，這種方法相比前者，成本更低，并且適用范圍也更廣，并且隨著研究的不斷發(fā)展和深入，技術手段也更加多樣。

對于表面工程按照作用原理可以將其分為沉積法、整體覆蓋法和表面改性，其中沉積法主要是將原子、離子或宏觀顆粒等在材料表面形成覆蓋層，例如電鍍、物理化學氣相沉積、熱噴涂、搪瓷涂敷等。表面改性一般是指用機械、物理、化學的方式對材料的形貌、微觀結構、應力分布及狀態(tài)等進行改變，進而改變其性能的方式。例如在汽車發(fā)動機、飛機及導彈的一些部件上復雜工作環(huán)境下耐高溫、耐腐蝕、抗氧化的需求通常都是通過特殊涂層的方式來解決的。在一些零件修復以及二次加工、在制造的工藝中也常常是通過表面改性的方式來完成的。筆者對比了ZK60鎂合金、Ti60鈦合金以及0Cr13Ni8Mo2Al鋼在噴丸處理前后疲勞壽命，一致說明了噴丸技術對多種金屬構件的疲勞性能的提升具有非常顯著的效果。通過噴丸等表面強化技術可以很好地提高材料的疲勞壽命，從而避免危險事故的發(fā)生，節(jié)約經(jīng)濟成本，具較好的應用價值。

1 表面噴丸強化

噴丸是指以較高速度的速度噴射彈丸到金屬材料的表面而使其發(fā)生塑性變形的一種過程，示意圖如圖1所示，表面噴丸強化屬于表面改性技術的一種，再細分時，通常將其歸類為表面形變強化[4]。這是一種在金屬表面施加較大的壓應力而發(fā)生形變，最終達到強化目的的一種方法。一般工藝條件下噴丸后的金屬表面會形成厚度超過0.1 mm的強化層，又稱塑性變形層。

圖1 噴丸強化示意圖

如圖2所示，噴丸前后，工件在微觀組織上，晶粒細化更加顯著，位錯和晶格畸變的密度也大大增加。在應力分布及狀態(tài)上，在金屬表面形成較大的殘余壓應力，正是這種應力分布特點使得材料的疲勞壽命也大幅度提高。在這個過程中發(fā)生三種強化即應力強化、組織強化、相變強化，多種強化的疊加是得材料在硬度、強度和疲勞壽命等方面都會有較大程度提高，其中對疲勞壽命影響最大的是應力強化。

圖2 噴完后組織結構

噴丸后的材料表面主要為殘余壓應力，這種應力狀態(tài)與外載相互抵消一部分后，減小了應力的幅值，使其可能低于疲勞極限因此避免了疲勞裂紋的萌生。

2 疲勞性能

疲勞學起源于人們對飛機空難的分析[5]，彗星客機三次墜毀就是由于增壓客艙反復增壓、減壓而引起疲勞，裂紋擴展直至發(fā)生斷裂。材料的抗疲勞性能是衡量材料性能、機械設計是否合理的重要指標，疲勞斷裂失效占到所有斷裂失效的近一半，在航空航天領域中，更是有90%的零件都是因為疲勞而失效[6]。Wohler教授第一個定義了疲勞強度，并且發(fā)現(xiàn)了引起疲勞的力學條件，引起疲勞的原因在于工件所處的工況。當其長期承受變動載荷或循環(huán)應力時就容易積累損傷產(chǎn)生疲勞而斷裂。在20世紀以前，微觀技術還不發(fā)達，疲勞在人們心中甚至有種神秘感，因為疲勞是材料內(nèi)部的損傷積累，后來顯微技術不斷進步，人們發(fā)現(xiàn)疲勞是裂紋首先在缺陷處萌生，隨后裂紋形核進一步擴張直至發(fā)生斷裂。

疲勞與靜載荷斷裂不同[7]，疲勞是交變小載荷作用下長期積累的結果而靜載斷裂是當其承受載荷大于抗拉強度時一瞬間的結果，所以疲勞在設計時更加復雜和困難，在工件發(fā)生疲勞的過程中，不會有塑性變形且微裂紋很小而不易被察覺，因此其潛在危害性更高，一旦發(fā)生事故可能將造成不可估量的后果。目前，隨著有關疲勞的科學研究的不斷深入，疲勞壽命的提高已經(jīng)可以通過多種技術手段實現(xiàn)，人們對多種的材料的低周、高周疲勞性能都進行了試驗測試和分析模擬，也為提高材料疲勞性能提供了大量實際依據(jù)[8-11]。疲勞性能的研究主要依靠疲勞試驗機，將設定好的載荷循環(huán)施加在試樣上，看多少個循環(huán)后材料發(fā)生斷裂，最終得到一系列曲線，實驗研究疲勞性能還分為高周疲勞和低周疲勞，關鍵在于斷裂壽命Nf是大于還是小于105周次，高周疲勞的斷裂應力較低，低周疲勞反之。疲勞斷口都呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，并且其斷口都可以分為疲勞源、疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。裂萌生于疲勞源，疲勞裂紋源可能是原本就存在的缺陷，也可能是在受力過程中疲勞所產(chǎn)生的，一個斷口上也可以有多個疲勞源，疲勞區(qū)內(nèi)裂紋快速擴展，以裂紋源為中心呈現(xiàn)一條條同心臺階弧線也就是貝紋線，這是裂紋擴展區(qū)域最顯著的宏觀特征。瞬斷區(qū)是斷口形貌最粗糙的部分，裂紋在這一區(qū)域迅速擴展并發(fā)生斷裂，這也顯示了疲勞的三個過程。

圖3 疲勞斷口中穩(wěn)定擴展區(qū)域的疲勞條帶

材料表面的殘余應力分布及狀態(tài)與其疲勞強度有很大的關系，殘余拉應力會降低疲勞輕度而殘余壓應力可以提高材料的疲勞強度，這也是一些表面強化技術提升材料疲勞強度的依據(jù)，對于有缺口的試樣，經(jīng)過表面強化處理的試樣抗疲勞性能更好。

3 實例分析

3.1 ZK60鎂合金的噴丸強化[12]

ZK60鎂合金在航空航天領域也應用較廣，在實際使用場景下也有交變載荷以及熱應力所引起的疲勞，實驗中將其進行表面噴丸強化，比較噴丸前后疲勞性能的提升。試樣尺寸如圖4，噴丸前先對其進行清洗和打磨，目的是降低試樣表面原有的殘余應力。

圖4 疲勞實驗試樣尺寸

在試樣正中間6 mm×15 mm的區(qū)域對其進行噴丸強化，試樣在實驗中所處的工況是載荷2.4 kN，正弦波的頻率為10 Hz，載荷比為0.5。如圖5所示，在殘余應力分析中發(fā)現(xiàn)，噴丸前表面的殘余應力近乎為零，噴完后呈現(xiàn)殘余壓應力的狀態(tài)，且達到-198 MPa，殘余壓應力的微觀原因是噴丸后試樣的強化層內(nèi)均勻密布了位錯等點線面缺陷，這些缺陷導致了點陣壓應力畸變，宏觀上的表現(xiàn)就是殘余壓應力。此外，表面上的毛刺、凸起等缺陷也被消除。

圖5 噴丸前后表面殘余應力分布

在疲勞實驗中，未噴丸處理的試樣經(jīng)過35 068次循環(huán)后疲勞斷裂，而經(jīng)過噴丸處理的試樣疲勞壽命提高幅度超過了35%，達到了48 053次循環(huán)，說明疲勞壽命得到了較大程度的提高。在對斷口的分析中發(fā)現(xiàn)，噴丸強化后，疲勞的裂紋源由試樣的表面深入到試樣的強化層內(nèi)，而強化層本身就具有較好的強度是的裂紋不易萌生，這也是噴丸強化提高材料疲勞強度的宏觀解釋之一。

3.2 Ti60高溫鈦合金的噴丸強化[13]

Ti60是一種我國自行研制的一種耐高溫合金，主要是作為航空發(fā)動機中整體葉盤的材料，在其服役過程中容易發(fā)生高頻振動，故其在高溫下的高周疲勞壽命是十分重要的研究內(nèi)容。王欣等研究者就噴丸覆蓋率這一參數(shù)與疲勞性能之間的關系進行了探究，旋轉彎曲疲勞試樣的尺寸如圖6所示，噴丸覆蓋率分別為100%、200%、400%以及一組不噴丸處理對照組，且記為A、B、C、D四組，疲勞試驗中應力幅值為430 MPa，溫度為600 ℃。

圖6 光滑旋轉彎曲疲勞試樣

噴丸后表面形貌的三維圖像如圖7所示，可以看出原始磨削試樣的表面粗糙度最低，200%覆蓋率下粗糙度也較好，但是400%覆蓋率時，粗糙度反而升高，說明在400%下材料發(fā)生了劇烈的塑性變形。

圖7 不同表面覆蓋率噴丸后的三維表面形貌

在噴丸前材料的殘余應力在最表面處最大，殘余壓應力達到208 MPa，噴丸后殘余應力分布如圖8所示，200%覆蓋率下殘余應力最大，深度30 μm處達到-605 MPa，100%和400%覆蓋率的殘余應力相差較小，但是殘余應力的分布上，400%下殘余應力的最大值出現(xiàn)的深度更深。

圖8 噴丸后應力場分布

在疲勞實驗中，未噴丸試樣的疲勞壽命約106周次，如圖9所示，三種不同覆蓋率的噴丸強化后分別提升了2倍、4倍、2.2倍，其中200%覆蓋率噴丸對試樣抗疲勞性能提升效果最顯著。

圖9 Ti60噴丸表面覆蓋率與疲勞壽命的關系

3.3 馬氏體不銹鋼的噴丸強化[14]

0Cr13Ni8Mo2Al鋼常用來在航空航天領域制造大尺寸構件，實際使用工況下常發(fā)生疲勞斷裂。使用如表1所示噴丸強化參數(shù)進行噴丸，再研究其疲勞性能。旋轉疲勞試驗機的轉速是300 r/min，應力幅值為900 MPa。

表1 不同工藝參數(shù)下噴丸強化

噴丸后的應力分布及疲勞試驗的結果如圖10所示，結果顯示不同工藝條件下，殘余壓應力的幅值大小基本都在1 250 MPa左右，但是大直徑彈丸高強度噴丸后的試樣壓應力最大值的深度更深，并且從表2中可以看出，噴丸強化后的試樣疲勞壽命大幅度提高，最高甚至達到未噴丸試樣的近80倍。

圖10 噴丸強化后的殘余應力分布

表2 噴丸強化后的疲勞壽命

噴丸強化后在材料表面產(chǎn)生的殘余壓應力場使得疲勞裂紋源不易在表面萌生，而將裂紋源驅趕到次表面的強化層后，疲勞壽命被顯著提高。

4 結 語

疲勞斷裂是導致許多承受循環(huán)載荷的工件失效的主要形式，給航空航天、船舶航運以及其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了不可估量的損失。噴丸技術具有一種較為完備的工藝條件，并且已經(jīng)在一些實驗中證實噴丸可以切實有效提高工件的疲勞壽命，如果進一步降低工藝成本便可很好地推廣到解決疲勞失效的問題中。將原有的工件制造工藝進行改進和完善，附加上噴丸這一表面處理工藝可以在資源高效利用、節(jié)能減排等方面做出突出貢獻。