超聲波噴丸覆蓋率對Q345鋼表面性能的影響

李鵬軍，趙篤勇，王雷雷

(山東礦機集團(tuán)股份有限公司，山東昌樂 262400)

超聲波噴丸(USP)是一種新型的表面改性方法，與傳統(tǒng)噴丸相比，超聲波噴丸能獲得更大的硬化層深度和壓應(yīng)力值，且工件表面粗糙度精度良好，同時其具有容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、成形工序簡單等優(yōu)勢［1］，因此在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，具有十分重要的研究價值［2］。

所謂噴丸覆蓋率，是指噴丸后試樣表面上彈坑占據(jù)的面積與受噴表面總面積之比，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。在工程實際應(yīng)用中，除圖紙有其他規(guī)定外，所有要求噴丸的表面最少應(yīng)達(dá)到100%的表面覆蓋率。目前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對超聲波噴丸表面改性方法進(jìn)行了闡述，然而還沒有文獻(xiàn)專門對噴丸覆蓋率這一影響參數(shù)進(jìn)行較為深入的研究;而且在工程實際應(yīng)用中，雖然已經(jīng)肯定了100%覆蓋率對于超聲波噴丸強化效果的影響，但是當(dāng)覆蓋率高于100%時噴丸效果如何卻還沒有定性的結(jié)論。

因此，本文以 Q345鋼為研究對象，選用100%，200%和300%等3種不同的覆蓋率對試樣進(jìn)行超聲波噴丸處理，通過光學(xué)金相顯微鏡、顯微硬度儀、XRD殘余應(yīng)力分析儀和表面粗糙度測試儀分析研究噴丸強化層的微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度分布特點、殘余應(yīng)力狀態(tài)、表面物理狀態(tài)，為超聲波噴丸強化在Q345鋼等常用金屬材料改性方面的應(yīng)用提供參考。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗條件

本試驗的材料選用厚度為2mm的Q345鋼板，其物理性能：彈性模量E為206GPa，抗拉強度σb為470MPa，屈服強度度σs為345MPa，延伸率δ為32%，密度ρ為7 850kg·m-3。超聲波噴丸裝置選用手持型SY-2000P超聲波噴丸機(如圖1所示)。其原理是通過換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率大于20kHz的振蕩電信號轉(zhuǎn)換為同頻率的縱波機械振動能量，再通過變幅桿將換能器微小振幅(一般為4μm)放大到20～80μm，然后借助安裝在振動工具頭上的撞針或噴丸室里的彈丸沖擊金屬材料表面，使金屬表層發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生小的凹坑，使得在噴丸過程中，材料經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形和完全塑性變形過程，而球形曲面直接增大了上層表面的表面積。金屬材料表層發(fā)生的塑性變形具有一定的深度，形成的殘余壓應(yīng)力不僅存在于金屬表面上，而且沿板料厚度方向呈一定形式分布。

圖1 SY-2000P超聲波噴丸機

本試驗的測量設(shè)備使用可視化工具——測量顯微鏡觀察Q345鋼試樣橫截面的金相組織;顯微硬度測量采用MVC-1000A1型顯微硬度計，所加載荷為200g，加載時間為15s;采用MSF-3M型XRD殘余應(yīng)力分析儀測定Q345鋼拋光試樣及經(jīng)不同超聲波噴丸覆蓋率處理后試樣表面的殘余應(yīng)力分布;采用TR101袖珍式表面粗糙度儀測量試樣的表面粗糙度。

1.2 試驗方法

試驗前對Q345鋼試樣表面進(jìn)行機械拋光處理，以獲得光潔平整的表面，然后采用手持型SY-2000P超聲波噴丸機對試樣進(jìn)行雙面噴丸。超聲波噴丸采用3種不同的規(guī)范，分別記為A，B和C，其工藝參數(shù)見表1。

表1 Q345鋼超聲波噴丸工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 金相組織觀察

金相組織如圖2所示。圖2(a)為Q345鋼試樣的原始組織，可以看到試樣內(nèi)部組織晶粒大小基本一致，尺寸約為20～50μm。經(jīng)過不同覆蓋率的噴丸處理后可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴丸覆蓋率的增加，試樣的晶粒尺寸也變的越來越小，當(dāng)超聲波噴丸的覆蓋率達(dá)到300%時，晶粒的最小尺寸為15μm左右，而且部分晶粒變得破碎，有些晶粒甚至已經(jīng)難以辨別，這種晶粒碎化是超聲波噴丸過程中試樣表面反復(fù)塑性變形的結(jié)果。

圖2 不同噴丸覆蓋率下試樣強化層的金相組織

當(dāng)噴丸覆蓋率較低時，試樣表層晶粒細(xì)化的效果并不明顯，這是由于在較小的覆蓋率下撞針沖擊試樣表面的次數(shù)較少，表層材料發(fā)生反復(fù)塑性變形的次數(shù)不是很多，因此晶粒尺寸沒有發(fā)生顯著的變化。隨著噴丸覆蓋率的增加，表層材料受到撞針反復(fù)的沖擊作用，發(fā)生了劇烈的塑性變形，晶粒細(xì)化的效果較為顯著。

2.2 顯微硬度測定

Q345鋼試樣的顯微硬度沿層深的分布如圖3所示。從圖3可以看出，超聲波噴丸后試樣表面顯微硬度隨噴丸覆蓋率的增大而增大，未噴丸試樣的顯微硬度值基本趨于一致。同一種噴丸覆蓋率下，試樣從表面到0．2mm處塑性變形層的顯微硬度明顯下降，之后的顯微硬度值漸漸趨于平緩，即曲線下降趨勢隨深度的增大而減小，最后趨于平緩。

圖3 超聲波噴丸前后試樣顯微硬度分布

此外，由圖3可知，超聲波噴丸強化后的顯微硬度值均比未噴丸試樣的大，這是由于晶粒細(xì)化和加工硬化提高了硬度。隨著覆蓋率的提高，材料顯微硬度的增高符合Hall-Petch理論，即材料硬度隨亞晶粒尺寸的減小而增高。此外，由位錯理論可知，噴丸材料表面在塑性變形過程中發(fā)生位錯運動，引起大量位錯交割和增殖，并且增加空位、間隙原子、層錯等結(jié)構(gòu)缺陷，從而阻礙位錯的進(jìn)一步運動，引起加工硬化。

2.3 殘余應(yīng)力測定

本文使用X射線衍射儀對Q345鋼在不同噴丸覆蓋率下產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力進(jìn)行測量，每個試樣選擇3個不同位置進(jìn)行測量，最終的測量結(jié)果見表2。試驗結(jié)果顯示未噴丸和噴丸試樣表面層都存在殘余壓應(yīng)力場，隨著超聲波噴丸覆蓋率的增加，表面殘余壓應(yīng)力的值也不斷增大。試樣表層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)，也與熱應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)［3］。超聲波噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力來源于材料塑性變形的不均勻性和未塑性變形部分的彈性回復(fù)作用［4］。超聲波噴丸過程中，撞針以一定的速度反復(fù)撞擊材料表面，使表層金屬只在一定深度的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，由于表層和內(nèi)層間的不均勻塑性變形使得受噴部位形成殘余壓應(yīng)力，內(nèi)部則為拉應(yīng)力［5］。

表面殘余壓應(yīng)力可有效抑制疲勞裂紋源在表

表2 不同噴丸覆蓋率下表面殘余壓應(yīng)力值

面萌生，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋源只有到表面層最薄弱的地方尋找?guī)茁剩话阒荒墚a(chǎn)生在壓應(yīng)力場發(fā)生變化的地方，如產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力、有夾雜物、有缺陷的地方;裂紋成核后雖然有外力繼續(xù)作用，但裂紋的擴展受到了壓應(yīng)力場的阻抑，難以快速擴展，要想擴展必須達(dá)到σa≥σ-σr，即交變的外力σa要大于材料本身的抗力σ與殘余應(yīng)力σr之差。由此可見，Q345鋼經(jīng)超聲波噴丸強化后獲得的表面殘余壓應(yīng)力和表面層應(yīng)力場有助于改善該材料的抗疲勞斷裂能力。

2.4 表面粗糙度測定

本文對3種不同超聲波噴丸覆蓋率下的Q345鋼試樣進(jìn)行表面粗糙度測定，并與未噴丸試樣的結(jié)果進(jìn)行對比。每個試樣選擇3個不同位置進(jìn)行檢測，結(jié)果列于表3。

表3 表面粗糙度值測定結(jié)果 μm

從表3可以看出，與未噴丸試樣相比，Q345鋼試樣經(jīng)超聲波噴丸強化處理后表面粗糙度明顯增加，且隨著噴丸覆蓋率的增大，粗糙度不斷降低。而疲勞性能與表面粗糙度有密切關(guān)系，當(dāng)Q345鋼試樣經(jīng)超聲波噴丸處理后，表面粗糙度Ra最高可達(dá)到4．4μm。研究表明，表面粗糙度的增高會引起明顯的載荷應(yīng)力集中，降低噴丸引入的最大殘余壓應(yīng)力值，削弱殘余壓應(yīng)力的作用［6］。因此，對Q345鋼試樣表面進(jìn)行超聲波噴丸處理時，應(yīng)盡量避免噴丸引入的表面粗糙度值過高，而提高覆蓋率就是一種非常簡單有效的方法。

3 結(jié)束語

綜上所述，Q345鋼表面性能隨噴丸覆蓋率的增加而變得更加優(yōu)良，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，而超聲波噴丸覆蓋率對其他金屬表面性能的影響仍需要深入了解。如何充分利用不同的超聲波噴丸覆蓋率對金屬表面進(jìn)行強化處理從而得到優(yōu)良性能的金屬材料，是金屬材料研究工作者最終的目標(biāo)。為了讓這種工藝手段具有更廣闊的應(yīng)用前景，有必要更加深入地了解和認(rèn)知這種工藝方法，不斷優(yōu)化各項參數(shù)，努力尋找更優(yōu)的超聲波噴丸方法。

［1］ Zhang X H，F(xiàn)isher J W，Prask H J．Effect of shot peening on fretting fatigue of Ti811 alloy at elevated temperature［J］．International Journal of Fatigue，2009，31(5)：889-893．

［2］ Alexandre M A，Larose S，Perron C．The surface integrity of turned and ground hardened bearing steel［J］．Wear，1996(13)：279-284．

［3］ 米谷茂．殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對策［M］．朱荊璞，邵會孟，譯．北京：機械工業(yè)出版社，1983：181．

［4］ 肖宏濱．強力噴丸對接觸疲勞性能的影響機理［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1997，28(4)：112-117．

［5］ 方博武．受控噴丸與殘余應(yīng)力理論［M］．濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

［6］ 李金魁，姚枚，王仁智，等．噴丸強化的綜合效應(yīng)理論［J］．航空學(xué)報，1992，13(11)：670-677．