循環(huán)載荷下噴丸層殘余應(yīng)力與半高寬的變化

朱有利， 孫寒驍， 侯 帥

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

循環(huán)載荷下噴丸層殘余應(yīng)力與半高寬的變化

朱有利， 孫寒驍， 侯 帥

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為研究30CrMnSiA鋼噴丸強(qiáng)化層抗疲勞性能在受循環(huán)載荷作用過程中的變化情況，采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)30CrMnSiA噴丸試樣施加循環(huán)載荷，通過X射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量試樣表面殘余應(yīng)力和X射線衍射半高寬等數(shù)據(jù)，研究其在循環(huán)載荷作用下的變化規(guī)律。結(jié)果表明：噴丸引入的殘余壓應(yīng)力在平行于載荷方向上早期即發(fā)生大幅松弛，之后基本保持穩(wěn)定不變；松弛幅度隨載荷的增加而增加，垂直載荷方向上的殘余壓應(yīng)力基本不松弛；各個(gè)方向上的半高寬都會(huì)隨循環(huán)次數(shù)的增加而下降，下降規(guī)律基本與應(yīng)力松弛規(guī)律相同，載荷越大，半高寬下降越多。

噴丸；殘余應(yīng)力；應(yīng)力松弛；半高寬

疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一，噴丸是一種最常見的被廣泛應(yīng)用于汽車、輪船和航空航天等各個(gè)領(lǐng)域的表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)[1]。它利用高速飛行的彈丸反復(fù)轟擊材料表面，使材料表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形和材料組織結(jié)構(gòu)改變，同時(shí)引入殘余壓應(yīng)力，從而抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，并起到提高材料抗疲勞性能的作用[2]。但不恰當(dāng)工藝參數(shù)的噴丸會(huì)使材料表面因過噴而產(chǎn)生裂紋，反而導(dǎo)致材料抗疲勞性能的下降[3-5]。

30CrMnSiA鋼是一種在航空航天領(lǐng)域被大量使用的結(jié)構(gòu)鋼，用其制成的零部件大都能承受較大的交變載荷，但對(duì)疲勞性能有較高的要求，因此大量運(yùn)用噴丸技術(shù)來制造該鋼零部件，以提高零部件抗疲勞性能[6]。但目前對(duì)該鋼噴丸強(qiáng)化層在使用過程中變化情況的研究較少,殘余應(yīng)力場(chǎng)、位錯(cuò)等都會(huì)受外載荷等外界條件影響，這些變化不僅會(huì)改變零部件的抗疲勞性能，亦會(huì)對(duì)強(qiáng)化后零部件的疲勞壽命預(yù)測(cè)帶來影響[7]。因此，筆者通過疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)噴丸強(qiáng)化后的30CrMnSiA鋼疲勞試樣施加循環(huán)載荷，利用X射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀監(jiān)測(cè)試樣噴丸強(qiáng)化層殘余應(yīng)力及半高寬隨循環(huán)載荷的變化情況，并進(jìn)行了分析，以期為零部件的定壽及噴丸工藝的優(yōu)化提供一定的參考。

1 試樣制備與表征

1.1 試樣制備

選擇完全退火態(tài)30CrMnSiA鋼為實(shí)驗(yàn)材料，加熱溫度為900 ℃，爐冷至550～650 ℃出爐空冷，熱處理后的抗拉強(qiáng)度為716.5 MPa，硬度為218.5 HV，其化學(xué)成分為：ω(C)=0.28%～0.35%，ω(Si)=0.90%～1.20%，ω(Mn)= 0.80%～1.10%，ω(P)≤0.030%，ω(S)≤0.030%，ω(Cr)=0.80%～1.10%，ω(Ni)≤0.40%。參考GB/T 3075—2008標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并加工成如圖1所示的板狀疲勞試樣。

使用氣動(dòng)噴丸機(jī)對(duì)30CrMnSiA鋼疲勞試樣進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，通過調(diào)節(jié)氣壓、槍口距離等參數(shù)，用弧高測(cè)量儀測(cè)量Almen試片飽和曲線，直至調(diào)節(jié)出0.6A的噴丸強(qiáng)度，以期能使疲勞試樣獲得較大的殘余應(yīng)力，為方便觀察應(yīng)力松弛現(xiàn)象，噴丸覆蓋率選為120%。所采用的彈丸為鋼絲切丸，直徑為0.8 mm，硬度為55～60 HRC。

圖1 30CrMnSiA鋼板狀疲勞試樣

1.2 表征手段

使用OLYMPUS三維形貌儀掃描觀察噴丸前后板狀疲勞試樣表面形貌的變化情況。采用PWS-100疲勞試驗(yàn)機(jī)模擬零件在工作中所受的外載荷，循環(huán)載荷的應(yīng)力幅值分別取300、400 MPa，應(yīng)力比為0.1，頻率為20 Hz。

通過X-350A型殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量噴丸前后板狀疲勞試樣的殘余應(yīng)力與半高寬，工藝參數(shù)為：固定ψ法為側(cè)傾法，定峰法為交相關(guān)， 采用Cr靶Kα輻射，光斑直徑為6 mm，掃描角度為160°～152°，管高壓為25 kV，管電流為0.8 mA，應(yīng)力常數(shù)為-318 MPa，衍射晶面選擇(211)晶面，掃描步距為0.1°，計(jì)數(shù)時(shí)間為0.2 s，選取X線入射角ψ=0°，25°，35°三個(gè)角度以防止織構(gòu)的干擾。在疲勞試樣工作段表面用記號(hào)筆做若干標(biāo)記，以保證每次都對(duì)相同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，排除殘余應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)分布不均帶來的誤差。將每個(gè)循環(huán)周次下所測(cè)得的殘余應(yīng)力與半高寬值分別取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

圖2、3為利用OLYMPUS三維形貌儀所觀察到的噴丸強(qiáng)化前后疲勞試樣表面的三維、二維形貌圖。

圖2 噴丸強(qiáng)化前后疲勞試樣表面三維形貌

圖3 噴丸強(qiáng)化前后疲勞試樣表面二維形貌

由圖2、3可以看出：噴丸強(qiáng)化前的試樣表面較為平整，表面粗糙度Ra=0.206 5 μm；噴丸強(qiáng)化后的試樣表面布滿深淺不一的彈坑，Ra=9.546 4 μm。這是由于彈丸形狀為不規(guī)則的圓形，從槍口噴出時(shí)的速率、方向及與試樣發(fā)生撞擊時(shí)的接觸面積、角度和應(yīng)力大小不同，且同一區(qū)域所受到的彈丸沖擊次數(shù)也不同。

通過X射線衍射法測(cè)量表明：噴丸強(qiáng)化前，疲勞試樣的表面殘余應(yīng)力約為152.5 MPa，半高寬為3.09°；噴丸強(qiáng)化后，表面殘余應(yīng)力降至-358.4 MPa，半高寬增加到3.82°。半高寬增加是由材料加工硬化程度增加和晶粒細(xì)化造成的，這說明噴丸強(qiáng)化過程中彈丸的反復(fù)沖擊使材料表層發(fā)生了劇烈的塑性變形并使該層晶粒細(xì)化，同時(shí)還引入了較大的殘余壓應(yīng)力，進(jìn)而抑制了疲勞裂紋的萌生。這是噴丸強(qiáng)化工藝提高材料抗疲勞性能的主要機(jī)理。

2.2 殘余應(yīng)力

循環(huán)載荷作用下疲勞試樣表面殘余應(yīng)力變化如圖4所示。由圖4(a)可以看出：隨著循環(huán)周次的增加，應(yīng)力作用下的縱向殘余壓應(yīng)力急劇松弛，在約10周次循環(huán)后趨于穩(wěn)定，其300、400 MPa應(yīng)力作用下的穩(wěn)定值分別約為-220、-100 MPa，分別松弛了約40%與65%。這表明：應(yīng)力越大，縱向殘余應(yīng)力松弛的速率與幅值越大，這種在前期較短循環(huán)周次內(nèi)發(fā)生的劇烈松弛現(xiàn)象可看作靜載松弛，這是由于試樣在外載荷作用下產(chǎn)生了微觀裂紋。其原因?yàn)椋涸嚇硬豢杀苊獾貢?huì)存在二相粒子、劃痕、腐蝕坑等應(yīng)力集中系數(shù)較大的“薄弱區(qū)”，當(dāng)對(duì)試樣施加小于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力時(shí)，材料從宏觀上未屈服但在“薄弱區(qū)”會(huì)發(fā)生局部屈服，產(chǎn)生微觀裂紋，殘余應(yīng)力場(chǎng)因此而重新分布，造成了殘余應(yīng)力的松弛[8-9]。由于這種局部屈服和微觀裂紋是在外載荷的作用下發(fā)生的，而外載荷沿軸向施加于疲勞試樣上，因此如圖4(b)所示在垂直外載荷的徑向上殘余應(yīng)力基本不受影響。以上結(jié)果表明：盡管噴丸強(qiáng)化可引入幅值十分可觀的殘余壓應(yīng)力，但該殘余壓應(yīng)力在短短的10周次循環(huán)內(nèi)就大幅松弛了，相對(duì)于大部分疲勞壽命為105～107數(shù)量級(jí)的零部件而言，實(shí)際上起到抗疲勞作用的只有穩(wěn)定后的部分殘余壓應(yīng)力。

圖4 循環(huán)載荷作用下疲勞試樣表面殘余應(yīng)力變化

2.3 半高寬

圖5為在循環(huán)載荷作用下疲勞試樣表面半高寬隨循環(huán)周次的變化規(guī)律?？梢钥闯觯簾o論是沿軸向還是沿徑向，半高寬都隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，并在約10周次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力為300、400 MPa時(shí)的疲勞試樣半高寬由大約3.8°分別減小到3.6°、3.65°左右，這說明載荷越大，半高寬下降越明顯。其原因?yàn)椋何诲e(cuò)密度、晶粒尺寸等因素的變化都可能引起半高寬的改變，但考慮到疲勞試樣所受循環(huán)載荷遠(yuǎn)低于材料抗拉強(qiáng)度，難以使材料晶粒尺寸發(fā)生變化，所以半高寬隨循環(huán)周次的增加而減小很可能是由位錯(cuò)密度的變化造成的，此外也會(huì)有一部分異號(hào)位錯(cuò)在移動(dòng)過程中相互抵消。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知位錯(cuò)密度與半高寬的關(guān)系為

圖5 在循環(huán)載荷作用下疲勞試樣表面半高寬隨循環(huán)周次的變化規(guī)律

(1)

式中：De為位錯(cuò)密度；β為半高寬；b為伯氏矢量。由式(1)可知：半高寬會(huì)隨位錯(cuò)密度的降低而降低。在循環(huán)載荷的作用下，晶體發(fā)生滑移，位錯(cuò)塞積于晶界、二相粒子等處發(fā)生塑性變形，進(jìn)而形成微觀裂紋，導(dǎo)致位錯(cuò)密度降低。因此，半高寬與殘余應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，都主要發(fā)生在前10個(gè)循環(huán)周次內(nèi)，之后保持穩(wěn)定。受400MPa載荷試樣的穩(wěn)定半高寬大于受300MPa載荷的試樣，也是由于其所受應(yīng)力更大，因而更易發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生微觀裂紋。位錯(cuò)密度的變化與方向無關(guān)，因此垂直循環(huán)載荷與平行循環(huán)載荷方向的半高寬基本相同。

3 結(jié)論

通過氣動(dòng)噴丸機(jī)對(duì)30CrMnSiA疲勞試樣進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，并利用X射線殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試了噴丸強(qiáng)化層表面殘余應(yīng)力、半高寬隨疲勞試驗(yàn)機(jī)施加的循環(huán)載荷次數(shù)的變化情況。結(jié)果表明：強(qiáng)化層表面軸向殘余壓應(yīng)力及半高寬先在前10周次循環(huán)內(nèi)迅速下降，之后保持穩(wěn)定。下一步，可根據(jù)這一現(xiàn)象優(yōu)化噴丸工藝參數(shù)，力求獲得更大的穩(wěn)定殘余壓應(yīng)力幅值，以提高噴丸強(qiáng)化的抗疲勞強(qiáng)化效果；亦可將此現(xiàn)象納入零部件定壽的衡量參數(shù)，用以提高壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

[1] 朱有利， 王燕禮， 邊飛龍， 等. 金屬材料超聲表面強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(20): 35-45.

[2] Olmi G, Freddi A. A New Method for Modelling the Support Effect under Rotating Bending Fatigue: Application to Ti-6Al-4V Alloy, with and without Shot Peening[J]. Fatigue & Fracture of Engineering and Materials & Structures, 2013, 36: 981-993.

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(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Changes of Residual Stress and Full Width at Half Maximum in Shot Peening Strengthened Layer under the Cycle Load

ZHU You-li, SUN Han-xiao, HOU Shuai

(Department of Equipment Maintenance and Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072，China)

To research the change of anti-fatigue performance under the cycle load for the shot peening strengthened layer of 30CrMnSiA steel, the fatigue machine are used to apply cycle load to 30CrMnSiA shot peening specimens and X-ray residual stress tester are also used to measure the surface residual stress of specimen and full width at half maximum of X-ray diffraction. The result of study shows that the residual compressive stress which is induced by shot peening and in parallel with the direction of cyclic loading loosed sharply in the early time. The degree of stress relaxation increased with increasing load while rare relaxation is observed on the direction perpendicular to the force. With the increasing of cycle times, the full width at half maximum is declining in any direction. The regulation of the decrease of full width at half maximum is similar to the residual compressive stress relaxation. And the full width at half maximum reduces more when the load is increasing.

shot peening; residual stress; stress relaxation; full width at half maximum

1672-1497(2016)05-0082-04

2016-05-30

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3093027)

朱有利(1962-)，男，教授，博士。

TG115.22+2; TG115.5+7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.017