沖擊強(qiáng)化對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響

高玉魁

（同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092）

304奧氏體不銹鋼是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種不銹鋼，在航空航天、石油化工、核電能源等工業(yè)領(lǐng)域都有很大應(yīng)用。304奧氏體不銹鋼屬于亞穩(wěn)態(tài)的不銹鋼，在沖擊形變作用下可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，即形變誘發(fā)相變，使材料的性能發(fā)生變化［1］。

材料與構(gòu)件的失效多發(fā)生于表面，而且腐蝕、摩擦與疲勞等性能都與表面密切相關(guān)。為了提高材料與構(gòu)件的使用性能，尤其是構(gòu)件的耐久性、輕質(zhì)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，常常在工程上采用表面強(qiáng)化來提高構(gòu)件的使用壽命、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高可靠系數(shù)和增加安全裕度［2－6］。噴丸強(qiáng)化由于實(shí)用性強(qiáng)、適用面廣、操作簡便而成為工業(yè)上常用的表面強(qiáng)化工藝技術(shù)，被國內(nèi)外廣泛用來改善構(gòu)件的使用性能。近年來納米組織結(jié)構(gòu)成為了新型材料的研究熱點(diǎn)之一，而表面機(jī)械研磨是一種利用高速運(yùn)動(dòng)的彈丸來沖擊金屬表層實(shí)現(xiàn)納米組織結(jié)構(gòu)的成熟制備技術(shù)［7－10］。研究沖擊強(qiáng)化處理對組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響，以獲得形變組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，這不僅對于理解沖擊強(qiáng)化機(jī)理非常重要，而且在工程應(yīng)用上也有重要意義。

本工作采用304奧氏體不銹鋼作為研究對象，通過噴丸強(qiáng)化和表面機(jī)械研磨來進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，以改變表層的組織結(jié)構(gòu)和改善材料的整體力學(xué)性能，為進(jìn)一步發(fā)揮材料的強(qiáng)度、塑性及韌性進(jìn)行理論創(chuàng)新和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)探索研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為304奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%，下同）為18.2Cr，9.1Ni，0.45Ti，0.52Mn，0.75Si，0.06C，0.05S，0.03P 和 70.5Fe。在1050℃下進(jìn)行1h的真空固溶處理，隨后液氮冷卻。原始狀態(tài)即為奧氏體固溶處理，標(biāo)記為A。

對部分試樣進(jìn)行噴丸強(qiáng)化和機(jī)械研磨處理。噴丸強(qiáng)化在氣動(dòng)式設(shè)備上進(jìn)行，所用彈丸為S330鑄鋼丸，噴丸強(qiáng)度為0.30A，表面覆蓋率為200%。機(jī)械研磨采用直徑為10mm的GCr15鋼球，研磨時(shí)間為30min。

拉伸試樣的厚度為1mm，其尺寸和形狀如圖1所示。拉伸實(shí)驗(yàn)在室溫下Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成，應(yīng)變加載速率為0.1mm／min。

采用X射線衍射測定試樣的殘余應(yīng)力，研究沖擊引入的殘余應(yīng)力特征和規(guī)律；對試樣進(jìn)行XRD相結(jié)構(gòu)、金相和TEM觀察分析，研究沖擊形變組織特征，建立沖擊形變組織與性能之間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

噴丸和機(jī)械研磨處理對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響如圖2所示。噴丸使屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別從277MPa和797MPa提高到了293MPa和807MPa，提高幅度很小，但卻使塑性伸長率從40%降低到了31%。SMAT處理試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為770MPa和973MPa，塑性伸長率為38%。

材料的性能由材料的組織結(jié)構(gòu)所確定，而組織結(jié)構(gòu)又受形變條件的影響，尤其是對于304奧氏體不銹鋼材料來說，由于其是亞穩(wěn)態(tài)材料，因此其組織結(jié)構(gòu)是解讀性能的鑰匙和關(guān)鍵。

圖2 噴丸與表面機(jī)械研磨對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響Fig.2 Effects of SP and SMAT on tensile properties of 304austenite stainless steel

原始組織，噴丸組織和機(jī)械研磨組織的光學(xué)金相顯微組織分析如圖3所示。可以看出，固溶退火試樣的組織為奧氏體，晶粒直徑約為160μm（圖3（a））；噴丸使退火試樣的表層發(fā)生塑性變形，并誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，XRD相結(jié)構(gòu)分析與奧氏體含量分析結(jié)果表明，噴丸雖然使奧氏體含量由原來的94%變?yōu)?8%，但還是以奧氏體為主，從金相上也可以看出原來的奧氏體組織和晶粒，見圖3（b）中白色的大晶粒，變形層深度約為240μm，劇烈變形層深度約為2～5μm；SMAT使奧氏體含量由原來的94%變?yōu)?2%，試樣整體都有延展變形特征，并在表層形成厚約10～50μm的劇烈變形帶（內(nèi)含10～15μm的納米組織層）。軋制后試樣的延展變形特征更明顯，而且奧氏體含量由原來的94%變?yōu)?8%；噴丸和SMAT后試樣的表面除了變形集中在表層外，整體的變形不大，只是表層有些變形帶，噴丸后表面奧氏體含量為32%，SMAT后為25%，但在深約10μm處都約為40%。因此，當(dāng)試樣沖擊強(qiáng)度增加后，一方面，表層變形抗力增加，另一方面，可形變誘發(fā)相變的奧氏體變少。

圖3 原始組織（a），噴丸組織（b）和機(jī)械研磨組織（c）的OM圖Fig.3 Microstructure observation by OM （a）original sample；（b）shot－peened sample；（c）SMATed sample

無論是噴丸沖擊還是機(jī)械研磨彈丸沖擊強(qiáng)化，在沖擊形變下亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體都有轉(zhuǎn)變成馬氏體的趨勢，圖4中X射線衍射峰位虛線標(biāo)識(shí)的是奧氏體γ－（220）衍射峰，實(shí)線標(biāo)識(shí)的是馬氏體α－（211）衍射峰情況，衍射角度2θ的變化也說明了沖擊相變的發(fā)生，衍射峰強(qiáng)度的變化說明了相變的數(shù)量。

為了進(jìn)一步分析組織的影響，在透射電子顯微鏡下觀察試樣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，退火組織主要是奧氏體，晶界平直（圖5（a））；退火后噴丸表層組織形成了馬氏體板條，并可見原奧氏體晶界處也有馬氏體形成，如圖5（b）中箭頭所示，但同時(shí)仍然有很多奧氏體組織存在；退火后SMAT處理試樣表層晶界不清晰，形成了納米組織，而且還形成很多馬氏體板條和孿晶組織（圖5（c））。

圖4 304奧氏體不銹鋼的沖擊相變Fig.4 Phase transformation of 304austenite stainless steel caused by impact deformation

圖5 A（a），A＋SP（b）和A＋SMAT（c）的TEM微觀組織Fig.5 Microstructure observation by TEM（a）A；（b）A＋SP；（c）A＋SMAT

此外，由圖5（b）還可以發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化也產(chǎn)生了大量位錯(cuò)，且在高速彈丸沖擊作用下，原來的亞穩(wěn)態(tài)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀的馬氏體組織。原奧氏體晶粒也被板條馬氏體所分割，且晶界不再清晰可見，但未形成納米組織。

機(jī)械研磨形成的馬氏體板條與孿晶組織可將原始的晶粒分割成一個(gè)個(gè)小的單元，原來的清晰晶界變得模糊，除了孿晶晶界和板條界面外其他界面不再清晰可見，而孿晶和板條寬度都在納米尺度范圍［11－15］，因此機(jī)械研磨可顯著細(xì)化晶粒和改善組織結(jié)構(gòu)。

3 分析討論

國內(nèi)外對于形變對力學(xué)性能影響的研究分析已有很多，如前所述材料的組織結(jié)構(gòu)是影響材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。從力學(xué)性能的影響因素來分析，表面沖擊形變強(qiáng)化形成的組織結(jié)構(gòu)、加工硬化與殘余應(yīng)力等因素都對力學(xué)性能具有影響作用。從組織結(jié)構(gòu)來分析，噴丸強(qiáng)化一方面沖擊形變誘發(fā)了奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，可提高強(qiáng)度，但同時(shí)，由于表層的塑性形變層較淺，對內(nèi)部奧氏體組織的牽制作用較小，因此，經(jīng)噴丸強(qiáng)化沖擊處理后，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度雖然有所增加，卻并不明顯。但由于表層發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變導(dǎo)致塑性變形能力較差，而且噴丸后晶粒細(xì)化效果不顯著，因此將降低塑性。

機(jī)械研磨SMAT處理在表層形成了一定深度的納米組織結(jié)構(gòu)，一方面，可進(jìn)一步提高強(qiáng)度（晶粒細(xì)化強(qiáng)度增加），另一方面，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，不僅可誘發(fā)表層而且內(nèi)部奧氏體在塑性變形作用下也可發(fā)生馬氏體變化，因此，可顯著提高強(qiáng)度并保持塑性。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高源于沖擊作用下的組織細(xì)化和馬氏體相變，而塑性的保持來自組織細(xì)化導(dǎo)致的韌化與馬氏體相變脆化之間的平衡。機(jī)械研磨SMAT引入的組織細(xì)化導(dǎo)致的韌化是塑性得以保持的主要原因，也是與噴丸沖擊相比塑性能夠保持較好的關(guān)鍵所在。

材料強(qiáng)度與塑性的匹配對于材料性能潛力的發(fā)揮非常重要。對于沖擊形變組織，沖擊變形層內(nèi)的梯度特性與變形層深度將直接影響材料的力學(xué)性能，這是有待深入研究的課題，也是表層梯度組織與性能研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

沖擊形變強(qiáng)化改性的研究涉及沖擊強(qiáng)化層的組織、殘余應(yīng)力、加工硬化等多方面的研究，沖擊強(qiáng)化改性效果與改性層的深度、梯度特性和組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，強(qiáng)度與韌性的匹配以及深度與梯度特性的匹配都是材料強(qiáng)度性能潛力發(fā)揮的關(guān)鍵所在。

此外，沖擊強(qiáng)化在表層形成了形變納米組織，其晶粒大小分布與形變的深度、變形的程度和變形的梯度特性都密切相關(guān)，這也是影響沖擊形變納米組織性能的主要因素，表面納米化可改善材料的很多性能［16－18］，因此將是未來納米組織結(jié)構(gòu)與性能研究所關(guān)注的研究內(nèi)容之一。

材料的表面層組織結(jié)構(gòu)不僅影響拉伸性能，而且材料的表面還影響著材料的疲勞、腐蝕和磨損等性能，因此對表面層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，已成為國內(nèi)外表面完整性研究的重要內(nèi)容［19］。此外，采用高能沖擊強(qiáng)化對材料表面進(jìn)行復(fù)合改性已成為齒輪和軸承等傳動(dòng)件的關(guān)鍵抗疲勞制造技術(shù)［20］，因此開展材料表面高能沖擊復(fù)合強(qiáng)化的科學(xué)理論基礎(chǔ)研究和新工藝新設(shè)備的技術(shù)開發(fā)研究將是未來非常具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较?，其在工程領(lǐng)域?qū)⒕哂惺謴V闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

（1）噴丸強(qiáng)化和機(jī)械研磨沖擊強(qiáng)化可使304奧氏體不銹鋼中亞穩(wěn)態(tài)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

（2）噴丸對退火304奧氏體不銹鋼拉伸性能的改善作用不顯著，而SMAT對拉伸性能的改善比較顯著。SMAT顯著提高了退火304奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度，但不降低其塑性，而噴丸沖擊則使塑形顯著下降。

（3）沖擊形變組織的改性效果與改性層的深度、梯度特性和組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，強(qiáng)度與韌性的匹配以及深度與梯度特性的匹配是材料強(qiáng)度性能潛力發(fā)揮的關(guān)鍵。

（4）形變納米組織的晶粒大小分布與形變深度和梯度特性是影響形變納米組織性能的主要因素，也是未來納米組織結(jié)構(gòu)與性能研究的重點(diǎn)。

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