超聲沖擊誘發(fā)表面納米化及其對表面完整性的影響

呂宗敏，何柏林，于影霞

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

?

超聲沖擊誘發(fā)表面納米化及其對表面完整性的影響

呂宗敏，何柏林，于影霞

(華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

采用不同超聲沖擊參數(shù)處理SMA490BW鋼，研究了沖擊后試樣在低、高倍下的微觀組織特征、殘余應(yīng)力及硬度分布等表面完整性能的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過超聲沖擊表面處理后, 樣品表面層晶粒細(xì)化為納米晶, 平均晶粒尺寸約為30nm；并在試樣表層引入殘余壓應(yīng)力，數(shù)值最大約為255.5MPa；超聲沖擊對SMA490BW鋼表面能夠起到明顯的強(qiáng)化作用，與未經(jīng)處理的試樣相比，處理后試樣表面硬度最大提高了約66.7%。超聲沖擊強(qiáng)化處理改善SMA490BW鋼的表面完整性的效果與沖擊電流、沖擊時(shí)間之間的關(guān)系不遵循單調(diào)變化規(guī)律，超聲沖擊參數(shù)為20min/1.5A時(shí)，試樣具有較好的表面完整性，沖擊影響層深度約為320μm。

超聲沖擊； 表面完整性； 殘余壓應(yīng)力； 微觀組織

1 引 言

材料在加工過程中不可避免地會在材料表面形成一定深度變形層，進(jìn)而劣化機(jī)械部件或構(gòu)件的各種重要使用性能。金屬疲勞性能的高低與其表面完整性密切相關(guān)。鑒于航空領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件對疲勞性能的極高要求，不僅要在設(shè)計(jì)、制造、安裝、測試過程中盡量保證這些關(guān)鍵部(構(gòu))件的表面完整性；同時(shí)還要考慮采用恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┻M(jìn)一步提高其疲勞性能。目前，一般采用表面強(qiáng)化技術(shù)延長關(guān)鍵零部件的疲勞壽命。表面強(qiáng)化技術(shù)最主要的一類是超聲沖擊(噴丸)技術(shù)，主要包括傳統(tǒng)噴丸、超聲沖擊(噴丸)等。超聲沖擊和噴丸處理都兼具表面強(qiáng)化、焊接殘余應(yīng)力調(diào)控、消除接頭應(yīng)力集中等多重功能，已廣泛應(yīng)用于橋梁、機(jī)車、海洋等多種行業(yè)中[1]。超聲沖擊強(qiáng)化技術(shù)利用超聲波換能器前端的沖擊針將超聲波的振動能量輸入金屬材料，高能量沖擊區(qū)的金屬材料表層產(chǎn)生一定深度的嚴(yán)重塑性變形，從而延長機(jī)械部(構(gòu))件的疲勞壽命，機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾方面：在材料表面形成一定深度和峰值的殘余壓縮應(yīng)力[2]；在材料表面一定深度會引起靜強(qiáng)度上升[3]。但這種處理也會產(chǎn)生不利于疲勞性能的因素：如表面粗糙度上升[4]；在材料表面產(chǎn)生微觀裂紋缺陷，致使表面質(zhì)量有所劣化[5]。研究表明，許多零件結(jié)構(gòu)的損壞都是從表面之下幾十微米的范圍內(nèi)開始[6]，表層之下的材質(zhì)和物理力學(xué)性能變化對零件使用性能和疲勞壽命的影響與表面形貌特征對它們的影響同樣重要。因此，為了保證零件的長壽命使用，必須綜合考慮表面下一定區(qū)域內(nèi)幾何、物理、力學(xué)性能的變化(包括金相組織變化、顯微硬度、殘余應(yīng)力分布等)，即基于表面完整性研發(fā)超聲沖擊強(qiáng)化技術(shù)以改善零件的表面性能。本文主要研究了10min/1.5A、20min/1.5A、10min/2A、20min/2A等沖擊參數(shù)對SMA490BW鋼微觀組織特征、殘余應(yīng)力、表層硬度的影響，同時(shí)分析了這些因素對表面完整性的影響。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料是SMA490BW熱軋耐候鋼。其在室溫下的力學(xué)性能如表1所示。

表1 常規(guī)力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 超聲沖擊試驗(yàn) 將試驗(yàn)板材放在工作臺上，采用HJ-Ⅲ型超聲沖擊設(shè)備(天津大學(xué))，頻率最高可達(dá)20kHz。沖擊時(shí)，沖擊針垂直于試樣表面，略微施加壓力使沖擊槍在自重條件下來回沖擊試樣表面，沖擊參數(shù)見表2。從沖擊試板上切得30×20×12mm3的試樣塊。

表2 超聲沖擊參數(shù)

2.2.2 殘余應(yīng)力試驗(yàn) 采用Stress3000型便攜式X射線應(yīng)力分析儀(Stresstech Oy，芬蘭)對超聲沖擊處理后試樣表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測試分析。采用固態(tài)線性成像探測器，其準(zhǔn)直探頭大小為3mm，兩個(gè)探測器分別從兩個(gè)相對的方向來記錄衍射信號，且探測器之間相互獨(dú)立使用，采用互相關(guān)法來確定峰值。測得表面均布的三個(gè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力，取其平均值。

2.2.3 金相試驗(yàn) 采用水砂紙粗磨沖擊試樣橫截面，機(jī)械拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕。利用GX-51OLYMPUS高級萬能金相分析儀觀察超聲沖擊處理后試樣表面的微觀組織。

2.2.4 硬度試驗(yàn) 表面硬度測量采用HXD-1000TMB/LCD型顯微硬度計(jì)，選用維氏壓頭，1000gf加載載荷，保載10s。測定沖擊態(tài)試樣近表層剖面上的硬度分布情況。

3 結(jié)果與討論

表面完整性是一個(gè)涉及多方面因素的復(fù)雜體系, 其中各方面因素還存在著相互作用與影響，即表面完整性是多個(gè)影響因素的集合[6]，見式(1)。

SQ=SQ(SQ1, SQ2, SQ3, …, SQi)

(1)

式中，SQi表示第i個(gè)影響表面完整性因素，i=1，2，3，4。SQ1，SQ2，SQ3，SQ4分別代表低倍下微觀組織、高倍下微觀組織特征(細(xì)晶)、表面殘余應(yīng)力及顯微硬度。這些因素可統(tǒng)稱為表面狀態(tài)，這些表面狀態(tài)決定或影響著材料的表面性能。

3.1 表面損傷情況

不同超聲沖擊工藝條件下試樣橫截面的金相組織如圖1所示。圖1(a)為10min/1.5A參數(shù)沖擊后的金相組織照片。塑性變形層的深度約為180μm，顏色較深部分為塑性變形較嚴(yán)重區(qū)域，在低倍下晶粒的晶界模糊或基本不可見，說明產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形。圖1(b)為20min/1.5A參數(shù)沖擊后的光學(xué)照片。試樣表層出現(xiàn)了流變組織，并出現(xiàn)了漩渦狀組織，塑性變形痕跡明顯，塑性變形的深度約為250μm。圖1(c)和(d)分別為10min/2A、20min/2A參數(shù)沖擊后的金相顯微照片。表層金屬均出現(xiàn)了不同程度的損傷，10min相比于20min時(shí)產(chǎn)生的微裂紋更加明顯，原因可能是裂紋隨沖擊時(shí)間延長存在被壓合的傾向。綜上，影響表面完整性的因素SQ1包括塑變層的深度以及表層微觀組織損傷狀況，綜合考慮此二者對表面完整性的貢獻(xiàn)或影響。

圖2所示為對應(yīng)圖1(c)處的EDS能譜分析結(jié)果，主要成分為Fe、C、Mn、Cr等。Fe與C的原子百分比為3∶1。推斷A處的黑色物質(zhì)為滲碳體或者珠光體的富聚集區(qū)，表明通過UIT處理，金屬表層一定區(qū)域內(nèi)的相發(fā)生了有趨向的移動，這也驗(yàn)證了超聲沖擊能誘使表層金屬產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。

圖2 與圖1c中A處對應(yīng)的EDS譜Fig.2 EDS of point A in Fig.1c

3.2 微觀組織特征

利用JEM-2100高分辨透射電子顯微鏡(日本電子)觀察超聲沖擊后試樣表面微觀組織形貌。圖3為試樣表面TEM形貌及對應(yīng)的電子衍射花樣(SAED)。從圖3(a)中可以看出，表面經(jīng)10min/1.5A沖擊后，形成了形狀不規(guī)則，大小不均的亞微米晶粒，對應(yīng)的SAED為兩相的拉長衍射斑，表明此處為鐵素體和滲碳體兩相共存, 兩相晶粒間具有一定取向差。

圖3(b)中顯示：試樣經(jīng)20min/1.5A處理后接近表面處的晶粒為大小比較均勻的等軸納米晶，其晶粒尺寸平均為30nm左右；對應(yīng)的電子衍射圖呈不易分辨出衍射斑點(diǎn)的連續(xù)、均勻的圓環(huán)狀，表明晶粒之間具有較大的取向差。在表層組織中形成了大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)纏結(jié)形成位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞，如圖3(a)所示。沖擊過程中，沖擊針來回沖擊材料表面，致使材料中位錯(cuò)開動，即使是處于同一晶粒中，也發(fā)生多個(gè)滑移系開動。位錯(cuò)的交互作用除了發(fā)生于滑移系之內(nèi)，還在不同的滑移系之間發(fā)生位錯(cuò)，不僅與此前處于已激活滑移系上的位錯(cuò)交互作用，還與之前靜止的位錯(cuò)交互作用。超聲沖擊技術(shù)可通過形成高致密度的位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)墻而更有效地細(xì)化原始的粗晶粒[7]。采用合理的超聲沖擊工藝能夠使材料的表層產(chǎn)生納米晶，根據(jù)Hall-Petch經(jīng)驗(yàn)公式，晶粒細(xì)化會使材料的表層硬度和強(qiáng)度提高。因此試樣在高倍下的微觀組織(細(xì)晶)SQ2對于材料表面完整性同樣是個(gè)重要指標(biāo)。

圖3 試樣表面TEM像及其電子衍射花樣(a) 10min/1.5A; (b) 20min/1.5AFig.3 TEM image and selected area electron diffraction pattern taken from treated surface layer (a) 10min/1.5A;(b) 20min/1.5A

圖4 沖擊后表面殘余壓應(yīng)力Fig.4 Residual compressive stress of surface after UIT

3.3 殘余應(yīng)力分布

沖擊針高速撞擊試樣表面時(shí)使金屬產(chǎn)生劇烈的塑性變形，由于金屬變形不均勻且又互相牽連，變形差異會產(chǎn)生彈性應(yīng)力，當(dāng)外力去除后這部分力仍然存在，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。塑性變形沿試樣深度方向呈梯度分布，沿深度的不均勻塑性變形使殘余壓應(yīng)力也沿深度方向變化。塑性變形劇烈處分布較大殘余壓應(yīng)力。

采用不同參數(shù)沖擊后，試樣表面的殘余壓應(yīng)力如圖4所示。同等沖擊時(shí)間條件下，沖擊電流(強(qiáng)度)對表面殘余壓應(yīng)力影響較小；同等沖擊電流條件下，表面殘余壓應(yīng)力隨著沖擊時(shí)間的延長而降低。其他學(xué)者通過超聲沖擊或噴丸沖擊也得到類似試驗(yàn)結(jié)果[8-10]。塑性變形使噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力松弛，使試樣剖面一定區(qū)域的殘余壓應(yīng)力減小，產(chǎn)生“倒鉤”型的殘余壓應(yīng)力場分布，提高噴丸強(qiáng)度和覆蓋率均能使最大殘余應(yīng)力深度內(nèi)移，表面殘余應(yīng)力略微減小。王等人[11]將彈丸速率和殘余應(yīng)力值按Gauss曲線擬合，得到“彈丸速率與殘余應(yīng)力”函數(shù)關(guān)系式，提取最佳殘余應(yīng)力分布。本文用如下模型解釋這種應(yīng)力分布現(xiàn)象，沖擊產(chǎn)生的塑性變形示意圖見圖5，由圖中看出變形程度沿深度方向變化，A-B-C應(yīng)變依次減小，殘余壓應(yīng)力同樣沿深度方向發(fā)生漸變，A區(qū)變形劇烈且晶粒得到細(xì)化，A與B交界處金屬的連續(xù)性使界面處存在較大的彈性應(yīng)力，使此處產(chǎn)生最大殘余壓應(yīng)力值。最大殘余壓應(yīng)力距表面距離必然隨著A區(qū)域的大小變化，一定程度上的沖擊時(shí)間或強(qiáng)度增加導(dǎo)致塑變層A增加，使最大殘余壓應(yīng)力深度增大。表面殘余壓應(yīng)力隨時(shí)間的增加而降低可能與塑變層深度變化相關(guān)。A區(qū)深度越小，則試樣表面區(qū)域受到區(qū)域B的約束就越弱，故塑變層隨著沖擊時(shí)間的增加而增加，而表面殘余壓應(yīng)力數(shù)值隨塑變層的增加而降低。通過超聲沖擊處理獲得的納米晶層的深度一般在100μm以內(nèi)[12-13]。此次模型將A、B、C三區(qū)標(biāo)于圖6，可定性顯示此三個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的硬度分布區(qū)間。

圖5 塑性變形示意圖Fig.5 Schematic diagram of plastic deformation

圖6 不同沖擊參數(shù)試樣顯微硬度沿橫截面深度變化Fig.6 Microhardness variation along transverse section direction of the samples after UIT by different parameters

綜上，影響表面完整性的因素SQ3包括殘余壓應(yīng)力的深度、殘余壓應(yīng)力的峰值及距表面深度。由于沖擊參數(shù)的選擇不當(dāng)問題，表層會出現(xiàn)一些微觀缺陷，使最大殘余壓應(yīng)力深度大于裂紋或類裂紋的深度，從而使裂紋在交變應(yīng)力或應(yīng)力腐蝕下不萌生或減緩擴(kuò)展速率，充分發(fā)揮殘余壓應(yīng)力改善疲勞性能的作用。

3.4 表層硬度分布

采用不同參數(shù)沖擊后試樣顯微硬度沿橫截面深度的變化見圖6。由圖6可見，試樣表面金屬的硬度隨著沖擊強(qiáng)度和時(shí)間的增加而增加，顯微硬度沿橫截面深度方向平緩下降，最后趨于基體硬度。未沖擊試樣的顯微硬度約為186HV，試樣經(jīng)10min/1.5A、10min/2A、20min/1.5A、20min/2A沖擊后，表層硬度分別達(dá)274HV、295HV、302HV、310HV左右。經(jīng)超聲沖擊后硬化層的最高顯微硬度接近基體的1.7倍。沖擊參數(shù)為20min/1.5A、20min/2A時(shí)的塑變層深度與硬度的分布基本一致，即隨著沖擊強(qiáng)度的增加，試樣的塑變層深度和硬度分布趨于穩(wěn)定。雖然表面的殘余壓應(yīng)力隨著沖擊強(qiáng)度的增加而增大，但表面的納米晶粒尺寸基本保持一致，由晶粒細(xì)化而產(chǎn)生的強(qiáng)化效果基本一致，即認(rèn)為沖擊后表層硬度升高的主要原因?yàn)榫Я＜?xì)化，而加工硬化和殘余應(yīng)力不是影響硬度的主要因素。韓等人[12]對高能噴丸后的試樣經(jīng)676K去應(yīng)力退火2h后，顯微硬度沒有明顯的降低，證明殘余應(yīng)力和加工硬化對表層硬度的升高僅是次要影響因素。綜上，影響表面完整性的因素SQ4包括表面層硬度的峰值及硬度隨深度分布的狀況，同時(shí)考慮這二者來評價(jià)顯微硬度分布對材料表面完整性的影響。

4 結(jié) 論

1．超聲沖擊能夠在試樣表面引入殘余壓應(yīng)力，并使表層晶粒細(xì)化而產(chǎn)生等軸納米晶，造成加工硬化，產(chǎn)生了沿深度呈梯度分布的硬度，對改善其疲勞性能有益；不合適的時(shí)間或電流，試樣的表面會有損傷性裂紋或脫層現(xiàn)象出現(xiàn)，這些弱化因素不利于SMA490BW鋼的表面完整性。

2．超聲沖擊強(qiáng)化改善表面完整性的效果與電流、時(shí)間并不呈單調(diào)關(guān)系，存在合理的UIT強(qiáng)化參數(shù)范圍，超聲沖擊參數(shù)為20min/1.5A時(shí)使材料具有最佳表面完整性，沖擊影響層深度約為320μm。

3．材料表面完整性受SQ1、SQ2、SQ3、SQ4等因素的綜合影響。SQ1在2A(高強(qiáng)度)時(shí)會出現(xiàn)疊形裂紋等缺陷使表面質(zhì)量劣化；SQ2在沖擊電流為2A時(shí)，表面晶粒被細(xì)化到納米級，使材料表層強(qiáng)度增加；SQ3會隨沖擊時(shí)間延長而降低；SQ4隨著沖擊時(shí)間或電流增加呈現(xiàn)增大趨勢；在超聲沖擊強(qiáng)化時(shí)，合理采用沖擊參數(shù)，最大限度發(fā)揮SQ2、SQ3、SQ4對材料表面完整性的貢獻(xiàn)，同時(shí)避免SQ1出現(xiàn)的缺陷。

[1] 劉小渝，姚文娟.用超聲沖擊法消除錨拉板區(qū)域的焊接應(yīng)力[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，14(6)：646～651.

[2] Fu Peng, Zhan Ke, Jiang Chuanhai. Micro-structure and surface layer properties of 18CrNiMo7-6 steel after multistep shot peening[J]. Materials and Design, 2013, 51: 309～314.

[3] 何柏林, 史建平, 顏 亮, 陳朝霞. 超聲沖擊對鋼軌鋼組織與性能的影響[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009, 30(4): 58～62.

[4] Benedetti M, Fontanari V, Bandini M, Savio E. High- and very high-cycle plain fatigue resistance of shot peened high-strength aluminum alloys: The role of surface morphology[J]. International Journal of Fatigue, 2015, 70: 451～462.

[5] Liu Yang, Wang Dongpo, Deng Caiyan, et al. Influence of re-ultrasonic impact treatment on fatigue behaviors of S690QL welded joints[J]. International Journal of Fatigue, 2014, 66: 155～160.

[6] 徐濱士. 表面納米工程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 352～375．

[7] 曾泉人, 劉更, 劉嵐. 機(jī)械加工零件表面完整性表征模型研究[J].中國機(jī)械工程, 2010, 21(24): 2995～2999.

[8] 何柏林, 于影霞, 等. 超聲沖擊對轉(zhuǎn)向架十字接頭表層組織及疲勞性能的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2013, 34(8): 51～54.

[9] 繆宏, 左敦穩(wěn), 王珉, 沙小偉. 噴丸強(qiáng)化對NAK80鋼表面完整性的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2011, 41(5): 1290～1294.

[10] 王欣, 李四清, 孟震威, 湯智慧. 噴丸表面覆蓋率對TC4鈦合金表面完整性的影響[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 34～38.

[11] 王玫, 方雄, 張志遠(yuǎn). 彈丸直徑和速度對噴丸殘余應(yīng)力的影響分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 31(4): 588～591.

[12] Liu Yu, Zhao xiaohui, Wang dongpo. Determination of the plastic properties of materials treated by ultrasonic surface rolling process through instrumented indentation[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 600: 21～31.

[13] 韓靖, 盛光敏, 胡國雄. 0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面納米化層的組織和性能[J]. 機(jī)械工程材料, 2008, 32(11): 64～68.

Ultrasonic Impact Induced Surface Nano-crystallization and Influence on Surface Integrity

LV Zongmin， HE Bolin， YU Yingxia

(School of Mechanical & Electronic Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Ultrasonic impact treatment (UIT) on the surface of SMA490BW steel was carried out under different parameters conditions. Influence of different impact parameters on the surface integrity including the feature of microstructure under low and high magnification, residual stress and hardness of the samples, was observed and analyzed. Experimental results indicate that after the UIT, the size of the grains is in the nm-sized range (<100nm) in the surface layer, mean grain size is about 30 nm; residual compressive stress is induced in the surface layer after UIT, the maximum is approximately 255.5MPa; the surface strength of SMA490BW steel can be improved evidently by UIT, compared to the sample without treatment, treated surface hardness is increased by 66.7%. Surface integrity of SMA490BW steel improved by UIT is not a simple monotonic variation with UIT current and time, the optimal surface integrity is obtained by UIT with the current/1.5A and time/20min and the thickness of affected layer is about 320μm.

UIT； Surface Integrity； Residual Compressive Stress； Microstructure

1673-2812(2017)02-0311-05

2015-11-30；

2016-03-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365014)；江西省自然科學(xué)基金助項(xiàng)目(20151BAB206007)

呂宗敏(1987-)，男，碩士研究生。 研究方向：材料強(qiáng)度與斷裂、表面強(qiáng)化技術(shù)。E-mail：lzmecjt@163.com。

何柏林，教授，博導(dǎo)， E-mail：hebolin@163.com。

TG113.2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.029