超聲沖擊Q355鋼疊形缺陷的形成及對疲勞性能的影響

劉秀國，劉子欣，王東坡, 2，鄧彩艷, 2

超聲沖擊Q355鋼疊形缺陷的形成及對疲勞性能的影響

劉秀國1，劉子欣1，王東坡1, 2，鄧彩艷1, 2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300350)

為了研究超聲沖擊產(chǎn)生疊形缺陷的過程與缺陷對材料疲勞性能的影響，針對不同初始表面粗糙度的Q355鋼進(jìn)行不同次數(shù)(1次、3次、5次)的超聲沖擊處理(UIT)．首先，對沖擊后試樣形貌及表面粗糙度進(jìn)行了測試．結(jié)果表明，超聲沖擊會在樣品表面引入凹坑，使表面形貌由鋸齒狀趨于平滑，導(dǎo)致表面粗糙度最終穩(wěn)定于一個數(shù)值，約為9.3μm．其次，對沖擊后試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力的測試．結(jié)果表明，多次UIT處理后，3組樣品最表層殘余壓應(yīng)力隨沖擊次數(shù)增加而增加，最表面殘余壓應(yīng)力值趨于穩(wěn)定．然后，對沖擊后疊形缺陷進(jìn)行SEM表征．沖擊后試樣表面的峰谷互相重疊擠壓，產(chǎn)生金屬流動，峰谷間隙縮小直至閉合，產(chǎn)生疊形缺陷．疊形缺陷的種類、數(shù)量及距表面距離受初始形貌UIT次數(shù)及UIT振幅的影響：相同初始粗糙度試樣，沖擊1次、3次和5次，疊形缺陷數(shù)量增加，距表面深度也增加；相同沖擊次數(shù)下，初始粗糙度越大，疊形缺陷數(shù)量與深度都將增加；沖擊振幅增加，疊形缺陷在1次UIT時無明顯變化，3次UIT時，大振幅下產(chǎn)生的疊形缺陷更容易先開始類裂紋擴展，5次UIT時，都會產(chǎn)生多條疊形缺陷并發(fā)生類裂紋擴展．最后，對處理后的超聲沖擊試樣進(jìn)行三點彎疲勞試驗．結(jié)果表明，在沖擊1次、3次時，殘余壓應(yīng)力的增益效果大于疊形缺陷的負(fù)效應(yīng)，疲勞壽命分別提高了1.8倍和3.1倍．在沖擊5次時，疊形缺陷分布更密集，負(fù)效應(yīng)大于殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生的增益值，疲勞壽命大幅度下降，甚至達(dá)到低于未處理樣品的水平．

超聲沖擊處理；表面粗糙度；疊形缺陷；殘余應(yīng)力；疲勞壽命

疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)及機械零部件最常見的一種失效形式，且具有較大危害性．疲勞裂紋往往起裂于金屬材料表面，除了表面易受到環(huán)境介質(zhì)腐蝕影響之外，表面存在一定切削加工痕跡而引起應(yīng)力集中，破壞了結(jié)構(gòu)及零部件表面完整性也是其主要原因，最終導(dǎo)致零部件使用壽命及可靠性降低[1-2]．

超聲沖擊處理(ultrasonic impact treatment，UIT)是金屬材料及結(jié)構(gòu)極具發(fā)展前景的疲勞延壽技術(shù)[3]，通過高頻振動推動沖擊針快速擊打金屬材料表面從而獲得一定深度塑性變形與壓縮殘余應(yīng)力層，可顯著提高其抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕等性能[4-5]．與其他傳統(tǒng)表面處理工藝相比，UIT工藝具有效果顯著、效率 高、操作方便、設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)點[6]，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機械、船舶與海洋工程、汽車、軌道交通、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、壓力容器與管道等諸多工程領(lǐng)域．

超聲沖擊處理在金屬材料表層產(chǎn)生有利的壓應(yīng)力同時，也形成一定深度的疊形類裂紋缺陷，這種疊形類裂紋缺陷由于存在應(yīng)力集中而可能大幅度降低金屬結(jié)構(gòu)或機械零部件的疲勞性能，成為了疲勞裂紋起裂首選位置[7]．因此，超聲沖擊處理技術(shù)的疲勞延壽效果是有利的壓縮應(yīng)力與不利的疊形類裂紋缺陷相互競爭的結(jié)果．超聲沖擊振幅、次數(shù)等工藝參數(shù)將對裂紋缺陷的形成、尺度大小、形態(tài)、是否擴展都將產(chǎn)生重要影響．鑒于此，選擇合理的超聲沖擊處理工藝參數(shù)，制定合理的表面加工組合工藝，盡可能發(fā)揮有利壓縮應(yīng)力的作用，同時控制疊形缺陷尺度與形態(tài)降低其不利影響，則必然可以獲得最佳的疲勞延壽效果．因此，研究超聲沖擊處理疊形類裂紋缺陷的形成機制及其對疲勞性能影響規(guī)律具有非常重要的意義．

本文采用Q355鋼，對超聲沖擊處理表面疊形缺陷的形成機制及其關(guān)鍵影響因素開展了研究，探討了不同表面粗糙度、處理次數(shù)等要素對疊形缺陷形成擴展機制與尺度大小、殘余壓縮應(yīng)力表面峰值與分布特點及相應(yīng)疲勞延壽效果的影響規(guī)律，為今后優(yōu)化或制定最佳超聲沖擊處理的工藝提供了理論支撐．

1 試驗材料

研究材料正火態(tài)Q355鋼，其化學(xué)成分如表1所示，強度性能在表2中列出．

表1 Q355鋼化學(xué)成分

表2 Q355鋼機械性能

首先通過銑床對Q355鋼表面進(jìn)行機械加工，獲得3種不同初始表面形貌的試樣，然后將其分別加工為40mm×40mm×10mm的板狀試樣，分別命名為A-0、B-0、C-0．使用無水乙醇清洗A-0、B-0、C-0表面．之后進(jìn)行不同次數(shù)的超聲沖擊處理，1次沖擊的試樣命名為A-1、B-1和C-1，3次沖擊的試樣命名為A-3、B-3和C-3，5次沖擊的試樣命名為A-5、B-5和C-5．

2 試驗條件

2.1 超聲沖擊過程

本文使用由大功率數(shù)字超聲波發(fā)生器、壓電換能器、氣動泵和沖擊針組成的 UIT 發(fā)生器進(jìn)行超聲沖擊表面處理．

由于手動超聲沖擊費時費力，且沖擊層不均勻，本文設(shè)計了用于自動化超聲沖擊時所用的轉(zhuǎn)接夾具，連接到HT-JM16×15/2龍門式移動平臺上，實現(xiàn)自動超聲沖擊過程．

超聲沖擊加工過程如圖1所示．沖擊針的直徑為4mm，端部為半橢球形．沖擊針在方向上以＝2mm/s的速度移動，每次在方向上的偏移量為＝1mm，高度方向保持沖擊針與試樣表層距離為1mm．在一個超聲沖擊的周期中，每1s，撞擊的表面積為2mm2．使用相同的超聲沖擊參數(shù)加工所有試樣．超聲沖擊工藝參數(shù)如表3所示．

圖1 超聲沖擊過程

表3 超聲沖擊處理工藝參數(shù)

2.2 表面性能測試方法

利用白光干涉法獲得原始Q355鋼試樣及UIT后試樣的表面形貌和粗糙度值．使用Bruker白光干涉儀測量A-0、B-0、C-0的表面形貌和粗糙度值， 2.5×倍鏡測量試樣中心的0.5mm×0.5mm區(qū)域，因儀器掃描范圍在1mm以內(nèi)，沖擊后凹坑寬度大于1mm，無法獲得全貌，故只測量了原始試樣的數(shù)據(jù)．使用Sensofar白光干涉儀獲得1次(A-1、B-1、C-1)、3次(A-3、B-3、C-3)和5次(A-5、B-5、C-5)UIT后的表面形貌及粗糙度值．該測試的掃描步長為1μm．使用10×倍鏡，采用拼接方式，測量試樣的區(qū)域為3mm×3mm．

采用JSM-7800F熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察超聲沖擊前后試樣橫截面的組織、產(chǎn)生的疊形缺陷和疲勞斷口的形貌．

使用Rigaku D/max 2500V/PC型X射線衍射儀和PSPC-MSF3M應(yīng)力測量儀測試UIT后試樣應(yīng)力的分布情況．使用Cr-Kα X射線源在(211)衍射平面計算應(yīng)力，在157°處進(jìn)行記錄，掃描角度為 0.08°，每步停留時間為3s．依次對試樣的不同深度表面進(jìn)行測量，每個試樣測量15～20個點，每個試樣重復(fù)測量4次，得到4次測量的平均值．

2.3 疲勞性能測試方法

將3種不同初始表面形貌的Q355鋼板切成200mm×20mm×10mm尺寸的三點彎疲勞試樣，如圖2所示．對A組、B組和C組三點彎試樣 200mm×20mm的單側(cè)面重復(fù)1次及多次UIT工藝，使沖擊彈坑覆蓋整個表面．

使用 PLG-200型高頻疲勞試驗機在室溫下進(jìn)行疲勞試驗．試驗機靜載精度為±0.2%，動載精度為 ±2%．應(yīng)力幅為Δ/2＝240MPa，應(yīng)力比為＝0.1，頻率為＝100Hz．不同超聲沖擊處理次數(shù)的試樣都要進(jìn)行3次疲勞試驗，疲勞測試一直持續(xù)到交變載荷歸零或者出現(xiàn)明顯的疲勞裂紋后停止．

圖2 三點彎疲勞試樣

3 試驗結(jié)果處理與分析

3.1 表面粗糙度及形貌變化

UIT處理前后每組試樣表面粗糙度測試結(jié)果如表4所示，粗糙度隨處理次數(shù)變化規(guī)律如圖3所示．

表4 UIT處理前后材料的粗糙度數(shù)值

經(jīng)過 1、3、5次UIT處理后，A組試樣表面粗糙度從4.97μm增加至5.24μm、7.32μm、9.23μm；B組試樣表面粗糙度由10.27μm下降到7.80μm、7.08μm、9.34μm；C組試樣表面粗糙度由16.76μm下降到8.98μm、7.92μm和9.78μm．

圖3 UIT處理前后表面粗糙度變化過程

圖3顯示：A組、B組和C組試樣粗糙度值隨沖擊次數(shù)增加而逐漸趨于穩(wěn)定值．1次UIT處理后試樣粗糙度開始逐漸接近，3次UIT處理后粗糙度開始趨同，5次UIT處理后試樣表面粗糙度穩(wěn)定在(9.3±0.5)μm范圍內(nèi)．

3次以內(nèi)UIT處理能夠提高表面質(zhì)量，而5次處理后材料表面粗糙度反而上升．

每組試樣初始表面形貌和經(jīng)過UIT處理試樣表面形貌如圖4所示．觀察看出：不同粗糙度試樣未經(jīng)IT處理時形貌均呈鋸齒狀且高低峰谷排列均勻，而經(jīng)UIT處理后表面呈波浪形狀．表面粗糙度相同的試樣經(jīng)過UIT后，試樣中間的沖擊坑隨處理次數(shù)增加逐漸趨于平滑．

結(jié)果表明：在UIT處理過程中由于“波峰填波谷”效應(yīng)，1次或3次處理會使加工過程產(chǎn)生的表面切削刀痕和凹槽明顯減少，但痕跡尚未完全消除．當(dāng)5次處理后反而引入沖擊凹坑，導(dǎo)致表面粗糙度上升，這種粗糙度增加是由 UIT 處理過程中樣品表面附近材料塑性變形引起的，大小與沖擊針直徑和處理工藝參數(shù)有關(guān)．3組試樣最終粗糙度趨于同一值是因為初始切削加工痕跡已被完全消除、凹坑深度值也不再增加所致．

圖4 不同UIT次數(shù)處理3組試樣前后的3D表面形貌

3.2 超聲沖擊處理試樣殘余應(yīng)力分布

本文對不同表面粗糙度條件下UIT處理試樣表面逐層進(jìn)行電解拋光及殘余應(yīng)力測試，以獲得不同深度的壓應(yīng)力值及其分布．電解拋光可對試件進(jìn)行剝除同時不引入附加殘余應(yīng)力場，因此成為試樣表層剝除首選．但隨著材料去除，試樣內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，此時所測應(yīng)力值已不是初始狀態(tài)對應(yīng)的殘余應(yīng)力值，需用彈性力學(xué)理論進(jìn)行修正，從而得到未剝除時內(nèi)部各點殘余應(yīng)力值．因此，本文使用最小二乘法修正了每個深度殘余應(yīng)力測量結(jié)果及誤差值，修正公式為

本文針對每個深度重復(fù)測量4次得到殘余應(yīng)力平均值，不同UIT處理次數(shù)下各組樣品沿深度方向的殘余應(yīng)力值與分布范圍如圖5所示．

1次UIT處理后A-1最大殘余壓應(yīng)力約為340MPa，B-1與C-1試樣最大殘余壓應(yīng)力值接近，約為390MPa，3組最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在樣品表面下方280～450μm處．3次UIT處理后A-3最大殘余壓應(yīng)力約為325MPa，B-3和C-3壓應(yīng)力接近，約為400MPa，3組最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在樣品表面下方300～600μm處．5次UIT處理后A-5最大殘余壓應(yīng)力約為320MPa，B-5和C-5試樣最大殘余壓應(yīng)力值接近，約為410MPa，3組最大壓應(yīng)力也出現(xiàn)在樣品表面下方300～600μm處．

上述數(shù)據(jù)表明，對于相同UIT次數(shù)處理試樣，殘余壓應(yīng)力值隨粗糙度值的增加而增加，不同試樣最大殘余壓應(yīng)力值分布范圍非常接近．而對于相同粗糙度試樣，隨超聲沖擊次數(shù)由1次增加到3次，最大殘余壓應(yīng)力數(shù)值和分布深度均有所增加，整個壓應(yīng)力層也更深．從3次增加到5次后僅最大壓應(yīng)力值略有增加，而所在深度基本不變．

經(jīng)過多次UIT處理后，3組樣品最表層殘余壓應(yīng)力隨沖擊次數(shù)增加而增加，最表面殘余壓應(yīng)力值趨于穩(wěn)定．?dāng)?shù)據(jù)表明：不同次數(shù)UIT處理后，試樣壓應(yīng)力層深度均在試樣表面以下750～1000μm內(nèi)．

3.3 超聲沖擊處理后試樣疊形缺陷產(chǎn)生機制分析

為進(jìn)一步研究疊形缺陷形成過程，對UIT處理試樣橫截面進(jìn)行SEM表征，圖6是B組試樣在UIT時由材料表面初始凹槽到形成疊形缺陷的過程，圖中虛線框內(nèi)顯示了金屬的流動過程．

圖5 3組試樣不同UIT次數(shù)后的殘余應(yīng)力分布

如圖6(a)所示，對于初始試樣(B-0)，可以看到機加工痕跡，并在表面存在一些高低不同峰谷，沒有發(fā)現(xiàn)疊形缺陷．圖6(b)所示，經(jīng)1次UIT處理后峰谷互相重疊擠壓并產(chǎn)生了金屬流動，峰谷間隙縮小直至閉合，產(chǎn)生的疊形缺陷如圖6(c)～(f)所示．經(jīng)2次、3次、4次和5次UIT處理后，均觀察到了疊形缺陷，其形成過程與1次UIT處理基本相同．不同之處在于：在3次以上UIT處理后，一方面疊形缺陷隨著處理次數(shù)增加而逐漸擴展，類裂紋缺陷向不同方向延展；另一方面開始出現(xiàn)兩條或3條疊形缺陷疊加或分支現(xiàn)象．

上述結(jié)果表明疊形缺陷形成過程：在進(jìn)行UIT處理時，沖擊針會以高頻率快速撞擊材料表面，會在被沖擊區(qū)域中心形成一個坑洞，擠壓外側(cè)材料形成凸起飛邊．當(dāng)沖擊針移動到下一個位置時產(chǎn)生顯著金屬塑性流動，通過一遍一遍擠壓，使原始粗糙表面波峰及之前沖擊產(chǎn)生凸起飛邊材料向坑底或谷底傾斜形成“波峰填波谷效應(yīng)”而產(chǎn)生大量疊形缺陷，這與文獻(xiàn)[8]提到類裂紋形成過程相似．

圖6 B組試樣超聲沖擊疊形缺陷形成過程

3.4 沖擊次數(shù)對疊形缺陷的影響分析

圖7所示不同沖擊次數(shù)對A組和C組試樣疊形缺陷的影響．經(jīng)過UIT處理后沿著材料表層可產(chǎn)生單條甚至多條疊形缺陷．

圖7(a)和7(b)是對A組和C組試樣進(jìn)行1次UIT處理后的試樣橫截面，均能觀察到疊形缺陷．C-1缺陷距表面深120μm，A-1缺陷距表面深30μm，C-1裂紋較A-1更深，即表面粗糙度越大，缺陷距表面深度越大．圖7(c)和7(d)是A組和C組進(jìn)行3次UIT后的截面，A-3、C-3均顯示存在兩條疊形缺陷，C-3深度均大于A-3試樣．A-3兩條疊形缺陷源于同一個起裂點；C-3兩條裂紋源于不同起裂位置，但是由于試樣加工所切橫截面有局部性，所以只看到了一部分形態(tài)，疊形缺陷的深度受到表面初始形貌的影響，故C-3試樣的疊形缺陷較A-5更深．圖7(e)和7(f)是5次UIT后A組和C組試樣截面，A-5組可以看到相對分散的3條疊形缺陷，起裂位置接近，而C-5組3條疊形缺陷中有兩條起裂點接近，另一條由于橫切面局部性，只看到部分缺陷，未看到起裂點．對比圖7(a)、7(c)和7(e)可知：對相同粗糙度試樣，增加UIT處理次數(shù)會在一定程度上增加疊形缺陷深度．

通過對圖7分析得知：疊形缺陷長度及深度同樣受到UIT次數(shù)與初始表面形貌影響很大，次數(shù)越多、初始表面粗糙度越大，疊形缺陷長度、深度越大．

鑒于此，本文認(rèn)為材料初始表面形貌及UIT處理次數(shù)是影響疊形缺陷形成的主要因素之一．

3.5 沖擊振幅對疊形缺陷的影響分析

為研究沖擊振幅對疊形缺陷的影響過程，做了振幅為20μm時的沖擊試驗．圖8所示為B組試樣在不同沖擊振幅下沖擊1次、3次和5次時產(chǎn)生疊形缺陷的過程．

分析圖8(a)和8(b)可知，經(jīng)過UIT處理1次，試樣在振幅20μm和30μm時都產(chǎn)生了一條疊形缺陷．觀察圖8(c)和8(d)可知，UIT處理3次，試樣在振幅20μm時，產(chǎn)生了一條疊形缺陷，較1次處理尺度明顯變大．在振幅30μm時，同樣產(chǎn)生一條疊形缺陷，不同于振幅20μm的是疊形缺陷開始產(chǎn)生了類裂紋的擴展，產(chǎn)生明顯的兩個分支．由圖8(e)和8(f)可知，沖擊5次后，無論是20μm還是30μm振幅下，試樣都產(chǎn)生了兩條疊形缺陷，數(shù)量增加了，與此同時，都發(fā)生了類裂紋擴展現(xiàn)象．對比得知，沖擊振幅增加，疊形缺陷在1次UIT時無明顯變化，3次UIT時，大振幅下產(chǎn)生的疊形缺陷更容易先開始類裂紋擴展，5次UIT時，都會產(chǎn)生多條疊形缺陷并發(fā)生類裂紋擴展．

圖8 不同沖擊振幅下產(chǎn)生的疊形缺陷

因此，本文認(rèn)為UIT振幅大小是影響疊形缺陷形成的主要因素之一．

3.6 疊形缺陷對材料疲勞性能影響分析

相同應(yīng)力范圍內(nèi)UIT處理前后試樣疲勞壽命數(shù)據(jù)如表5所示，疲勞壽命對比情況如圖9所示．

表5 Q355鋼疲勞壽命試驗結(jié)果

圖9 3組試樣UIT處理前后疲勞壽命對比

對于未經(jīng)UIT處理試樣，疲勞壽命與其表面粗糙度密切相關(guān)，較低表面粗糙度試樣具有較長的疲勞壽命，原始表面粗糙度越高試樣的疲勞壽命越短，原因是較深加工刀痕產(chǎn)生了應(yīng)力集中．

對比相同初始粗糙的UIT處理試樣發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過1次或3次UIT處理后其疲勞壽命均顯著增加．1次UIT處理的疲勞壽命比未處理試樣延長 1.8～2.2倍；3次UIT處理試樣疲勞壽命繼續(xù)增加，達(dá)到2.7～3.1倍；5次UIT處理后疲勞壽命反而明顯下降，甚至低于未處理試樣．對于每組試樣，在經(jīng)歷3次 UIT處理后均具有最長的疲勞壽命．

根據(jù)表4可知，UIT處理后3組試樣表面粗糙度數(shù)值趨于穩(wěn)定，可見根據(jù)處理后的粗糙度數(shù)據(jù)并不能合理解釋疲勞試驗結(jié)果．同時說明，UIT處理所形成的疊形缺陷必定是影響試樣疲勞壽命主要因素之一．

為研究疊形缺陷對UIT處理試樣疲勞壽命的影響規(guī)律，本文對試樣疲勞斷口進(jìn)行SEM表征，A組試樣UIT處理前后的疲勞斷口如圖10所示．

圖10 超聲沖擊A組試樣不同次數(shù)下的疲勞斷口

通過觀察發(fā)現(xiàn)：對于未經(jīng)UIT處理試樣(如圖10(a))，疲勞裂紋均起裂于試樣切削刀痕根部表面；對于UIT處理試樣，如圖10(c)、(e)、(g)所示，疲勞裂紋源優(yōu)先出現(xiàn)在疊形缺陷最深處集中位置，且隨UIT處理次數(shù)增加，疲勞裂紋萌生位置距離試樣表面越遠(yuǎn)(疊形缺陷越深)、深度更大．

試樣總體疲勞壽命可以分3個階段[9-10]：

一般認(rèn)為，對于高周疲勞裂紋萌生及短裂紋擴展階段壽命占總壽命95%以上．對于表面粗糙試樣，由于較深加工刀痕的存在，使其疲勞裂紋萌生階段很短，疲勞壽命主要由短、長裂紋擴展兩個階段的壽命決定．然而，相對于未經(jīng)UIT處理試樣，UIT處理試樣由于在材料表面形成一層殘余壓縮應(yīng)力層可以使疲勞裂紋擴展速率急劇下降，從而延長其疲勞壽命．然而，另一方面UIT處理使得端部較鈍的加工刀痕缺口演變成尖銳的類裂紋疊形缺陷，甚至多次沖擊后會進(jìn)一步擴展變深而成為真正意義上的較長裂紋，使得其萌生期完全消失、短裂紋擴展階段也大幅度縮小(疊形缺陷深度已接近或超出短裂紋擴展階段)，致使其疲勞壽命由此下降．因此，與未經(jīng)UIT處理試樣相比，UIT處理的疲勞延壽效果主要受到有利的表面壓縮應(yīng)力大小、深度及不利的疊形缺陷的長度和深度等兩方面相互競爭作用結(jié)果的影響．

由于UIT時材料表面受沖擊區(qū)域的最表層壓縮應(yīng)力值及疊形缺陷的深度等參數(shù)均與被沖擊處理次數(shù)有關(guān)，因此，UIT疲勞延壽效果也顯著受到處理次數(shù)的影響．總體表現(xiàn)為：當(dāng)沖擊處理1次時，由于在表層形成100MPa以上的最表層殘余壓縮應(yīng)力，雖然初步形成了一定深度的疊形缺陷，但由于深度尚淺、端部尖銳程度低于裂紋，使得壓縮應(yīng)力的延壽效果大于疊形缺陷的不利作用而使之疲勞壽命有明顯延長；當(dāng)沖擊處理3次時，表層形成了200～300MPa以上的最表層殘余壓縮應(yīng)力，雖然疊形缺陷端部已很尖銳、深度也有所增加，但幅度相比不大，使得壓縮應(yīng)力的延壽效果遠(yuǎn)大于疊形缺陷的不利作用而使之疲勞壽命顯著延長；當(dāng)沖擊處理達(dá)到5次時，表層形成的殘余壓縮應(yīng)力峰值和深度沒有明顯變化，但疊形缺陷端部已非常尖銳并有一定擴展而成為裂紋，而且疊形缺陷形態(tài)也發(fā)生變化，會形成2～3個疊形缺陷相互疊加的現(xiàn)象，使缺陷深度顯著增加，壓縮應(yīng)力的延壽效果與疊形缺陷的不利作用相當(dāng)甚至更差，因此導(dǎo)致其疲勞壽命沒有延長、甚至下降．

綜上所述，本文認(rèn)為造成UIT處理后疲勞壽命先提高后降低的原因是殘余應(yīng)力與疊形缺陷相互作用的綜合表現(xiàn)結(jié)果．即UIT處理所形成殘余壓應(yīng)力對材料疲勞壽命產(chǎn)生增益效果與疊形缺陷負(fù)效應(yīng)相疊加，產(chǎn)生了疲勞壽命先增加后降低的規(guī)律．

4 結(jié) 論

(1) 超聲沖擊處理過程產(chǎn)生疊形缺陷不可避免．

(2) 材料初始表面形貌、UIT處理次數(shù)和UIT振幅是影響疊形缺陷種類、尺度及深度的主要原因．

(3) UIT產(chǎn)生的疊形缺陷會產(chǎn)生顯著的負(fù)效應(yīng)，導(dǎo)致疲勞壽命顯著降低．

(4) 超聲沖擊處理疲勞延壽效果受UIT處理產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力與疊形缺陷相互作用競爭控制．

(5) 當(dāng)UIT處理1次、3次時，殘余壓應(yīng)力增益效果大于疊形缺陷負(fù)效應(yīng)，疲勞壽命分別提高了1.8倍和3.1倍；當(dāng)沖擊處理5次時，疊形缺陷分布更密集，負(fù)效應(yīng)大于殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生增益值，疲勞壽命大幅度下降，甚至低于未處理試樣水平．

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Formation Mechanism of Fold Defects and Their Effect on Fatigue Properties in Ultrasonic Impact Treatment Q355 Steel

Liu Xiuguo1，Liu Zixin1，Wang Dongpo1, 2，Deng Caiyan1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

Q355 steels with different surface roughness values were subjected to an ultrasonic impact treatment(UIT)for different times(one，three，and five times)to study fold defects’ formation under the UIT and the defect’s influence on the fatigue property of Q355 steel. First，the ultrasound impact on the modality and roughness of the first sample was tested，and the result revealed that the ultrasound impact left pits. Consequently，the jagged outlook tended to smoothen out，resulting in consistent surface roughness of approximately 9.3 μm. Second，residual stress tests were respectively conducted on all three sets of samples after the impact. The three sets of samples manifested the same result after several numbers of UIT：the residual stress increased as the ultrasound impacts increased and then finally stabilized. Third，fold defects were observed by a scanning electron microscope(SEM)after the impact. The result showed overlapped valleys on the surface，crushing each other and resulting in metal flowing. Therefore，fold defects resulted due to the narrowed and overlapped gaps among the valleys. The initial modality，number，and amplitude of UIT influenced the type，number，and depth of the fold defects. First，the number of the fold defects increased and the depth augmented after having respectively one，three，and five times of ultrasound impact on the Q355 steel of the same initial roughness；second，the rougher the surface at first，the more the number and the greater the depth of the fold defects under the same number of ultrasound impacts at the end；and third，fold defects differed with increased amplitude. Fold defects had no noticeable change under one UIT. However，the greater the amplitude，the faster the crack propagation appeared under three times of UIT. Under the fifth UIT，a large number of fold defects and crack propagation occurred，each with a different amplitude. Finally，ultrasonic impact specimens were subjected to a three-point bending fatigue test. The result showed that the residual stress gain outweighed the negative effect of fold defects，resulting in the enhancement of fatigue life of 1.8 and 3.1 times when the Q355 steel was subjected to UIT one and three times，respectively. However，the fold defects increased，and the negative effect of the residual stress outweighed the gain for the five times of UIT，resulting in a significant drop in the fatigue life to a level below the untreated sample.

ultrasonic impact treatment；surface roughness；fold defects；residual stress；fatigue life

TG663

A

0493-2137(2022)09-0933-09

10.11784/tdxbz202108030

2021-08-13；

2021-09-20.

劉秀國（1976— ），男，博士，副研究員.

劉秀國，liuxiuguo@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51771135).

the National Natural Science Foundation of China(No. 51771135).

(責(zé)任編輯：田 軍)