表面強(qiáng)化對(duì)不銹鋼表面完整性的影響

黃明月　李希同　李?！±钍篮?/p>

摘 要：噴丸強(qiáng)化使最簡(jiǎn)單的表面強(qiáng)化工藝，對(duì)不銹鋼316進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，綜述了噴丸強(qiáng)化技術(shù)對(duì)材料表層殘余應(yīng)力分布、顯微組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和表層硬度分布等表面完整性因素影響的研究，以提高表面完整性為目的。通過(guò)對(duì)表面完整性參數(shù)的研究，得出噴丸強(qiáng)化使表面完整性得以提高。

關(guān)鍵詞：噴丸強(qiáng)化；表面完整性；殘余應(yīng)力；顯微組織結(jié)構(gòu)；表面粗糙度；表層硬度

1 引言

金屬材料的物理和化學(xué)性能，疲勞等很大程度上都取決于材料本身的表面完整性。表面完整性指的是表面粗糙度，表面層硬度，表層顯微結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力等狀態(tài)的好壞。參考大量的重工業(yè)零部件失效形式，屬于疲勞失效的約占了百分之80，而材料的表面完整性則是影響材料疲勞性能的重要因素之一。表面完整性是零件加工后表面紋理和表面層冶金質(zhì)量，又稱為表面層質(zhì)量，包括微觀結(jié)構(gòu)，表層硬度，表面粗糙度，殘余應(yīng)力等參數(shù)。由于目前的不銹鋼316不能滿足市場(chǎng)性能的需要，需要對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，使其提高表面表面完整性能，進(jìn)而提高材料的壽命，抗疲勞強(qiáng)度等。

2 研究意義

不銹鋼的生產(chǎn)和銷售是我國(guó)出口經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是從目前的不銹鋼出口貿(mào)易來(lái)看，我國(guó)的不銹鋼出口遇到了很大的阻力。從近幾年來(lái)看，國(guó)外一直頻繁的傳來(lái)對(duì)我國(guó)不銹鋼的產(chǎn)品進(jìn)行雙規(guī)的新聞報(bào)道，這對(duì)于我國(guó)的不銹鋼鑄造產(chǎn)業(yè)來(lái)講有很大的影響，出口是我國(guó)不銹鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一部分，在其產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有很大的市場(chǎng)份額，出現(xiàn)此情況，我國(guó)不銹鋼產(chǎn)業(yè)應(yīng)該不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，大力發(fā)展改良不銹鋼的性能，才能在世界貿(mào)易中占據(jù)主導(dǎo)地位，立于不敗之地?；诖吮驹囼?yàn)研究提高不銹鋼316的材料性能，不斷地提高不銹鋼的表面完整性，進(jìn)而提高其疲勞性能，延長(zhǎng)壽命，提高不銹鋼的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也為本民族不銹鋼發(fā)展作出自己的貢獻(xiàn)。

3 主要工作

本實(shí)驗(yàn)采用噴丸強(qiáng)化處理，因?yàn)閲娡鑿?qiáng)化是目前最簡(jiǎn)單也是企業(yè)應(yīng)用最為廣泛的一種處理方法。噴丸強(qiáng)化技術(shù)借助高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流或者高能沖擊波不斷撞擊材料的表面，因?yàn)槠涫且环N材料表面的冷加工方法，因而使材料表層發(fā)生彈性塑性變形，噴丸后材料會(huì)表現(xiàn)出較好的表面完整性，從而能抑制材料本身的裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而提高材料的壽命。因此，在本文中通過(guò)四個(gè)表面完整性參數(shù)闡述了有關(guān)噴丸強(qiáng)化對(duì)表面完整性的影響，總結(jié)了噴丸強(qiáng)化技術(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)，硬度，殘余應(yīng)力，表面粗糙度等表面完整性因素的影響規(guī)律分析，進(jìn)而得出控制表面完整性的因素，促進(jìn)噴完技術(shù)的發(fā)展，是人們按照自己理想的需求性能來(lái)控制表面完整性參數(shù)來(lái)達(dá)到目標(biāo)。

3.1表面粗糙度

噴丸強(qiáng)化過(guò)程中彈丸高速撞擊材料表面會(huì)引起材料的塑性變形，并且會(huì)在表面形成凹坑，會(huì)引起表面粗糙度的增大，而且不當(dāng)?shù)墓に噮?shù)甚至?xí)鸩牧系谋韺娱_(kāi)裂等表面損傷，損害零件的性能，所以被噴丸材料的表面粗糙度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，控制材料的表面粗糙度從而控制表面完整性能。噴丸強(qiáng)化參數(shù)對(duì)表面粗糙度有很大的影響，噴完強(qiáng)度增加，表面粗糙度也增加。而且隨著噴完時(shí)間的增加，表面粗糙度上升到一定程度會(huì)下降，如圖1所示

在剛開(kāi)始，彈丸高速撞擊次材料表面使材料嚴(yán)重塑性變形，形成很多峰和谷，表面粗糙度增大，隨著時(shí)間加長(zhǎng)，覆蓋率的增加使凹凸數(shù)量不斷增加，此時(shí)粗糙度達(dá)到最大，此時(shí)繼續(xù)噴丸使材料峰谷交替出現(xiàn)，材料表面粗糙度開(kāi)始下降最后達(dá)到穩(wěn)定值。在一定范圍內(nèi)，噴丸時(shí)間越長(zhǎng)，表面粗糙度越小。

3.2 顯微結(jié)構(gòu)

以不銹鋼316為例進(jìn)行打磨拋光，腐蝕后在顯微鏡下可觀察到細(xì)化的奧氏體組織，對(duì)裂紋萌生產(chǎn)生阻礙作用，未噴丸的部分奧氏體組織明顯比噴丸過(guò)的奧氏體大，這進(jìn)一步阻礙了裂紋的擴(kuò)展，從而提高了表面完整性。在噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，材料表層發(fā)生塑性變形，其顯微結(jié)構(gòu)中晶粒大小，位錯(cuò)密度，物像結(jié)構(gòu)等都發(fā)生變化。構(gòu)成了變形組織的硬化層。塑性變形的表層硬化層的組織細(xì)化作用對(duì)晶體的應(yīng)變起到了抑制作用，從而提高了材料的表面完整性能。噴丸強(qiáng)化后的組織細(xì)化機(jī)制是由于在彈丸撞擊下接觸應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，受噴材料表層產(chǎn)生位錯(cuò)和剪切等缺陷，缺陷在相互交錯(cuò)后形成了細(xì)化的胞狀組織。

噴丸強(qiáng)度對(duì)不銹鋼316影響層深度為300um納米層的深度20um。噴丸強(qiáng)化后通過(guò)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)圖的分析，得出奧氏體約占總面積的百分76，奧氏體面積越大，表面完整性能越好。

3.3 殘余應(yīng)力

噴丸強(qiáng)化處理后會(huì)在材料表層引入殘余應(yīng)力，通常在靠近噴丸一側(cè)的為殘余壓應(yīng)力，因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力可以提高材料的表面完整性進(jìn)而提高抗疲勞性能和抗腐蝕性能。因此，如何控制殘余應(yīng)力的大小，深度成為了當(dāng)下研究的重要內(nèi)容。

噴完的工藝參數(shù)，例如噴丸時(shí)間、強(qiáng)度、彈丸大小等對(duì)殘余應(yīng)力的大小有明顯的影響。提高噴丸強(qiáng)度，彈丸獲得更大的動(dòng)能，受到噴丸的區(qū)域應(yīng)力非常集中，因此變形層更深，殘余應(yīng)力值更大，表面完整性越好。隨著噴完時(shí)間增加，受噴丸區(qū)域的最大殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)力層也相應(yīng)的增加噴丸時(shí)角度的選取不同也會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力造成影響。彈丸的直徑越大越容易產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力層深度，所以通過(guò)控制噴丸的工藝參數(shù)獲得不同的表面殘余應(yīng)力，來(lái)提高表面的完整性。

3.4 表層硬度

噴丸強(qiáng)化后表層硬度呈現(xiàn)梯度變化，不銹鋼316從被噴丸一側(cè)到縱深表層硬度依次降低最后趨于未噴完硬度。噴丸強(qiáng)化使材料表層硬度大幅度提高，噴丸強(qiáng)化使調(diào)控硬度最簡(jiǎn)單也是最有效的方法，噴完強(qiáng)度越高，表層硬度值越大，硬度層深度越深。此外，噴丸彈丸的大小，噴丸時(shí)間也對(duì)表面層硬度有較大的影響。如圖2所示，從圖可見(jiàn)，大的直徑彈丸對(duì)硬化層深度有較大影響，直徑越大，深度越大，在一定范圍內(nèi)，時(shí)間越唱深度增加。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不斷調(diào)整噴丸的工藝參數(shù)來(lái)對(duì)表面完整性參數(shù)產(chǎn)生影響，朝著提高表面完整性能的方向調(diào)控，使不銹鋼可以按照人們對(duì)它的性能需求的變化而變化，滿足航空工業(yè)等重工業(yè)零件的性能需求，提供更加穩(wěn)定的抗疲勞性能，從而提高安全性。所以鑒于目前的研究可以通過(guò)表面完整性的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和改善表面完整性，對(duì)重要零件的生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的表面完整性控制。