噴丸對30CrMnSiNi2A合金鋼表層組織性能的影響及其微觀機理

李占明， 朱有利， 謝俊峰， 杜曉坤， 陳海峰， 潘洪海

(1. 裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造工程系，北京100072;2. 裝甲兵工程學(xué)院 科研部，北京100072;3. 中國人民解放軍駐沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司軍事代表室，沈陽110034)

30CrMnSiNi2A 具有較高的強度、韌性和塑性，是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的合金之一，主要用作起落架、平尾大軸、發(fā)動機架以及高壓連接件等重要零部件，這些零件在交變載荷的作用下容易發(fā)生疲勞失效［1］。因疲勞裂紋一般萌生于零件表面，所以噴丸、滾壓、超聲沖擊和激光沖擊等機械表面強化技術(shù)就受到了國內(nèi)外專家和學(xué)者的青睞［2～5］。噴丸(Shot Peening)處理是利用高速噴射的細小彈丸在室溫下撞擊工件表面，使表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生彈、塑性變形，從而呈現(xiàn)出理想的組織結(jié)構(gòu)、加工硬化和殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，從而提高零件抗疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕性能的一種表面處理方法。使用噴丸處理改善金屬結(jié)構(gòu)的疲勞性能早已被人們所熟知，并已在航空航天、機械、造船、鐵路運輸?shù)戎T多領(lǐng)域得到實際應(yīng)用［6，7］。而關(guān)于噴丸強化處理對30CrMnSiNi2A 合金鋼影響的研究較少，本工作采用掃描電鏡和透射電鏡觀察了試樣表層的顯微組織結(jié)構(gòu)，利用納米壓痕儀和X 射線應(yīng)力儀測試了噴丸處理和未處理試樣表層納米顯微硬度和殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布，分析了噴丸處理30CrMnSiNi2A 合金鋼的晶粒細化機制及其對材料加工硬化和殘余應(yīng)力的影響。

1 實驗材料與方法

實驗材料為淬火+回火態(tài)30CrMnSiNi2A 合金鋼，材料成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為C 0. 26 ～0. 34，Si 0.9 ～1.2，Mn 1.0 ～1.3，S 0.015，P 0.025，Ni 1.4 ～1.8，Cr 0.9 ～1.2，Cu 0.25，W 0.20，Mo 0.15，F(xiàn)e 余量;采用氣動式噴丸設(shè)備制備了30CrMnSiNi2A 合金鋼噴丸強化處理試樣，空氣壓力0.6 MPa，鋼丸直徑為0.5 mm，覆蓋率超過100%，強度為0.4 A;經(jīng)噴丸強化處理和未處理的試樣經(jīng)研磨拋光后，用4%硝酸酒精浸蝕約5 s 后采用Nova NanoSEM 650 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察截面組織形貌，并通過JEM-2100 型高分辨率透射電鏡觀察噴丸強化處理后試樣的表層微觀結(jié)構(gòu);納米顯微硬度的測試采用Nano Test 600 型多功能納米材料性能測儀，壓頭為金剛石制成的正三棱錐形Berkovich 壓頭，加載載荷為30 mN，保荷時間為15 s，測試間距5 μm;利用X-350 型X 射線應(yīng)力測定儀，通過電解拋光法逐層測試試樣表層的殘余應(yīng)力，電解拋光液選擇飽和氯化銨溶液+ 3% 甘油(體積比)，每道拋光深度為50 μm。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 強化層的微觀組織結(jié)構(gòu)觀察

圖1 是未處理和經(jīng)噴丸強化處理30CrMnSiNi2A合金鋼試樣斷面 SEM 照片，由圖1a 可見，30CrMnSiNi2A 合金鋼淬火+回火后的組織主要為板條馬氏體、少量的下貝氏體、孿晶及殘余奧氏體。從圖2b 可以看出，經(jīng)噴丸處理后，在試樣表面形成了一厚度約為30 μm 的致密塑性變形層，試樣表層金屬晶粒因塑性變形而被拉長，形成了平行于表面的纖維狀組織結(jié)構(gòu)。

圖1 噴丸強化處理前后試件的斷面形貌(a)未處理;(b)處理Fig.1 Cross-section morphology of specimen (a)unpeened specimen;(b)peened specimen

通過掃描電鏡很難觀察到試樣近表面清晰的圖像，故采用線切割技術(shù)，將噴丸處理后的試樣切割成直徑為3 mm 的圓形試樣，而后分別采用1500 #、2000 #砂紙以及1 μm 的金剛石拋光膏單面磨制試樣，將試樣磨制至30 ～40 μm 厚度，采用離子減薄機將試樣減薄至100 ～200 nm，采用透射電鏡觀察試樣表面的組織結(jié)構(gòu)，圖2 是試樣表面的TEM 照片及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射譜(SAED)。由試樣的TEM明場和暗場像觀察分析可知，噴丸處理在試樣表面層形成了超細等軸晶體，晶粒直徑約為5 ～135 nm，平均直徑約為46 nm，晶體取向呈隨機分布，表明位錯運動是其結(jié)構(gòu)變化的主要原因。利用試樣選區(qū)電子衍射譜(SAED)形成的連續(xù)完整衍射環(huán)，根據(jù)多晶體電子衍射花樣標(biāo)定方法，對表層納米組織進行成分標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果表明，表層納米組織的主要成分為具有體心立方(bcc)晶格結(jié)構(gòu)的α-馬氏體相。

此前，I. Nikitin 和張洪旺等人分別采用冷深滾技術(shù)(Deep Rolling)、表面機械研磨處理(Surface Mechanical Attrition Treatment)對AISI304 奧氏體不銹鋼進行表面納米化處理，發(fā)現(xiàn)強烈塑性變形可以誘導(dǎo)馬氏體相變［8，9］。噴丸處理后，試樣表層和次表層發(fā)生了強烈塑性變形，會誘發(fā)殘余奧氏體等組織向馬氏體相轉(zhuǎn)變，形成以α-馬氏體相為主要表層組織。高倍透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在試樣的納米晶粒內(nèi)部存在大量的高密度位錯，如圖3 所示。以上分析表明，噴丸處理在試樣表層產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，使位錯增殖、滑移、交割和纏結(jié)最終導(dǎo)致晶粒細化和位錯密度增加，形變誘導(dǎo)晶粒細化是其主要的晶粒細化機制。

2.2 強化層納米顯微硬度測試

硬度是反映材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，是最常用的加工硬化表征手段之一，圖4 是未處理和噴丸處理后的30CrMnSiNi2A 合金鋼試樣斷面納米顯微硬度的分布圖?？梢钥闯?，噴丸處理后，試樣表面層的最高納米顯微硬度為7.08 GPa，隨著深度的進一步增加，硬度值逐漸降低，大約距表面為30 μm 時趨于穩(wěn)定，此時硬度值約為6. 59 GPa，從表面到30 μm的范圍內(nèi)，未處理試樣平均納米顯微硬度為6.51 GPa，而 噴 丸 處 理 后 為6. 83 GPa，提 高 了4.9%，表明加工硬化量較小。噴丸強化處理后，材料表面顯微硬度的變化可用經(jīng)典的Hall-Petch 模型來加以解釋［10］。金屬材料的硬度和晶粒尺寸、位錯密度之間存在一定的關(guān)系，根據(jù)加工硬化(Work Hardening)理論，噴丸處理導(dǎo)致的塑性變形量越大，變形金屬的強度和硬度就越高，而塑性韌性將降低。從微觀結(jié)構(gòu)上來看，隨著噴丸的進行，試樣表面的位錯密度會不斷增加，位錯之間的距離隨之減少，位錯間的交互作用增強，形成大量位錯纏結(jié)、位錯胞和不動位錯等位錯運動的障礙，造成位錯運動阻力不斷增大，使材料變形抗力增加，從而提高了30CrMnSiNi2A 合金鋼試樣表面的顯微硬度，這也有利于材料耐磨性能的提高。

圖2 噴丸強化處理試件表層微觀組織結(jié)構(gòu) (a)TEM 明場像及選區(qū)電子衍射花樣;(b)TEM 暗場像Fig.2 Microstructure of specimen after shot peening (a)TEM bright field image and the corresponding SAED;(b)TEM dark field image

圖3 噴丸強化處理試件表層微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of specimen after shot peening

圖4 噴丸強化處理試件表層微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of specimen after shot peening

2.3 強化層的殘余應(yīng)力測試

殘余應(yīng)力是去除外部因素作用后，存在于物體內(nèi)部保持平衡的一種內(nèi)應(yīng)力。分布合理的殘余壓應(yīng)力可能成為提高機械零部件疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力的主要因素，噴丸強化處理的主要強化機制之一就是在工件表面引入一定深度的殘余壓應(yīng)力層，從而抑制疲勞裂紋的萌生，減小疲勞裂紋的擴展，提高工件的使用壽命［11］。噴丸處理與未處理的30CrMnSiNi2A 合金鋼試樣的殘余應(yīng)力場分布如圖5所示。從圖中可以看出，車削加工表面所產(chǎn)生的壓殘余應(yīng)力數(shù)值較小，最大值為－433 MPa，而且殘余壓應(yīng)力層深度較淺，大約為150 μm;經(jīng)噴丸處理后試樣表面所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力數(shù)值較大，最大值為－1050 MPa，且分布深度增加，大約為280 μm。殘余應(yīng)力產(chǎn)生的本質(zhì)原因是金屬內(nèi)部晶粒發(fā)生了不均勻的塑性變形，晶粒內(nèi)部一部分未發(fā)生塑性變形，而另一部分發(fā)生了塑性變形，未發(fā)生塑性變形部分與已發(fā)生塑性變形部分之間相互牽制就會形成彈性應(yīng)力場。因此，可以說不均勻塑性變形在力方面的體現(xiàn)為殘余應(yīng)力，而在形狀方面的體現(xiàn)為晶格畸變，殘余應(yīng)力的本質(zhì)就是晶格畸變［12］。噴丸強化處理在工件表面引入了劇烈的塑性變形，導(dǎo)致晶粒細化、位錯密度增加，形成了大量的晶界、亞晶界和位錯纏結(jié)等，引起晶格畸變增加，形成了一定深度的殘余壓應(yīng)力層。值得注意的是，殘余應(yīng)力本身在激活能的作用下容易由亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，在承受疲勞載荷時容易發(fā)生應(yīng)力松弛。而噴丸處理后，材料表層組織結(jié)構(gòu)的細化及帶來的加工硬化具有更好的穩(wěn)定性，對改善抗疲勞性能具有更加實際的價值。

圖5 噴丸處理前后試件表面的殘余應(yīng)力分布曲線Fig.5 Distribution of residual stress along depth from surface before and after shot peening

3 結(jié)論

(1)30CrMnSiNi2A 合金鋼淬火+回火后的組織主要為板條馬氏體、少量的下貝氏體、孿晶及殘余奧氏體，經(jīng)噴丸處理后，在距材料表面約30 μm 的范圍內(nèi)形成了致密塑性變形層，變形層內(nèi)晶粒明顯細化，晶粒直徑約為5 ～135 nm，平均直徑約為46 nm，晶體取向呈隨機分布;

(2)經(jīng)噴丸處理后，30CrMnSiNi2A 合金鋼試樣表面層的最高納米顯微硬度為7.08 GPa，隨著深度的進一步增加，硬度值逐漸降低，距表面為30 μm時趨于穩(wěn)定，該范圍內(nèi)，噴丸處理使試樣加工硬化量提高了4.9%;

(3)車削加工的30CrMnSiNi2A 合金鋼試樣表面壓殘余應(yīng)力數(shù)值較小，最大值為－433 MPa，且殘余壓應(yīng)力層深度較淺，約為150 μm;噴丸處理在試樣表面引入了深度約為280 μm 的殘余壓應(yīng)力層，最大值為－1050 MPa。

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