噴丸對18%Ni型超高強(qiáng)度鋼低周疲勞性能影響

王 欣 江志華

(中航工業(yè) 北京航空材料研究院，北京100095)

曾候祥

(貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司，平壩561102)

湯智慧

(中航工業(yè) 北京航空材料研究院，北京100095)

C250鋼是一種18%Ni馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼[1]，該鋼屈服強(qiáng)度很高(1 700 MPa級(jí))，在國外常作為軸類零件和航天器的固體發(fā)動(dòng)機(jī)外殼的主要材料.早在20世紀(jì)70年代，美國相關(guān)國防報(bào)告中就針對該型鋼進(jìn)行了抗疲勞強(qiáng)化工藝[2]分析.

軸類零件的服役環(huán)境苛刻，受到彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)交變載荷、冷熱交變載荷和腐蝕環(huán)境的作用，易發(fā)生疲勞斷裂;為提高使用可靠性，C250鋼軸類零件完成機(jī)械加工后常采用噴丸以提高其疲勞抗力.噴丸對于鋼疲勞性能影響的研究[3]中，多針對高周疲勞，主要是由于高周疲勞過程不出現(xiàn)整體塑性形變，不會(huì)使噴丸引入的殘余壓應(yīng)力場強(qiáng)化效果[4]發(fā)生松弛，可以體現(xiàn)噴丸的強(qiáng)化效果.而低周疲勞過程外加載荷通常超過屈服強(qiáng)度，噴丸對于低周疲勞的影響說法不一.有研究認(rèn)為在這個(gè)條件下，噴丸殘余應(yīng)力將發(fā)生松弛，從而使噴丸失去強(qiáng)化效果.如白杰等[5]認(rèn)為噴丸引入塑性形變降低了鋼本身的塑性形變能力并削弱了殘余壓應(yīng)力，從而降低了低周疲勞性能.此外，張海風(fēng)等[6]研究了噴丸納米化對DZ4定向合金的影響，說明表面層納米化降低了定向合金的低周疲勞性能.薛蕾等[7]對比了激光修復(fù)、激光修復(fù)+噴丸復(fù)合處理與普通模鍛件的低周疲勞性能，說明噴丸提高TC4的低周疲勞性能，但該文獻(xiàn)主要針對激光修復(fù)的技術(shù)開展分析，而對噴丸與低周疲勞的關(guān)系涉及較少.低周疲勞性能是軸類零件的重要性能，本研究對比了噴丸前后C250鋼的表面形貌、殘余應(yīng)力、組織狀態(tài)和低周疲勞壽命，說明了噴丸可以顯著提高C250鋼的低周疲勞性能，并分析了增益影響的原因，為C250鋼在工程上的噴丸應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

本文研究的材料是c250鋼鍛件.第二相(Ni3Ti，Ni3Mo)彌散強(qiáng)化是C250鋼的主要強(qiáng)化方式，如圖1所示.C250鋼成分是Ni:17%～19%，Co:7.0%～8.5%，Mo:4.6%～5.2%，Ti:0.3%～0.5%，Al:0.05%～0.15%，Cr小于0.5%，其余是Fe元素.低周疲勞的試樣經(jīng)過粗車加工、固溶處理、半精車加工、時(shí)效處理和磨加工完成，試樣的力學(xué)性能如表1所示.

圖1 c250鋼中的針狀第二相質(zhì)點(diǎn)和衍射照片

表1 c250鋼室溫合金力學(xué)性能

低周疲勞試樣按照Q/6S 977—2004中圖號(hào)M2504-S088(圖2)加工.在氣動(dòng)式數(shù)控噴丸機(jī)KX-3000上，按照HB/Z 26—2011依據(jù)表2的制度進(jìn)行了噴丸，每組噴丸工藝試樣5件.采用Quanta 600掃描電鏡觀察了試樣噴丸前后的表面，采用JEM-2010透射電鏡，觀察了噴丸后的微觀結(jié)構(gòu).透射電鏡用試樣制備過程為:對經(jīng)過精磨的15 mm×15 mm×15 mm方塊試樣的一面進(jìn)行噴丸，采用線切割方式將噴丸面切下，厚度為0.8 mm;之后僅對線切割面進(jìn)行手工打磨，直至厚度達(dá)到30 μm后;采用1000#砂紙打磨線切割打磨面以及噴丸面至光亮;再采用透射電鏡制樣專用的沖壓工具制成直徑為3 mm，厚度小于30 μm的薄片;對薄片采用雙噴減薄方法制成透射電鏡試樣.采用Stresstech-X3000 X射線衍射殘余應(yīng)力測試儀測試了疲勞實(shí)驗(yàn)前后的殘余應(yīng)力場分布情況.按照GB/T 15248標(biāo)準(zhǔn)，在MTS Landmark1上測試了不同工藝噴丸后的低周疲勞壽命，測試條件為三角波/最大應(yīng)變0.009 3/室溫/20次/min，原始試樣和單噴試樣組試樣6件，由于二次噴丸試樣疲勞壽命分散度較小，采用了5件試樣進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn);采用Quanta 600掃描電鏡觀察特定疲勞周次的斷口形貌.

圖2 c250鋼低周疲勞試樣

表2 噴丸制度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 表面觀察

圖3為原始、單噴和雙噴后C250鋼試樣的表面形貌.圖3可知，磨削試樣的表面存在許多平行的刀痕，表面粗糙度達(dá)到Ra=0.68 μm;單噴后，平行的刀痕被大量直徑較大的彈坑取代，表面粗糙度達(dá)到Ra=1.41 μm;雙噴后，由于小尺寸玻璃丸噴丸撫平作用，表面較大的彈坑被細(xì)小的彈坑所取代，表面粗糙度達(dá)到Ra=1.01 μm.噴丸表面覆蓋了磨削表面，因此，磨削表面粗糙度對于噴丸后試樣的表面粗糙度沒有影響.

圖3 c250鋼表面形貌

2.2 殘余應(yīng)力

圖4為噴丸后及噴丸+低周疲勞后試樣的殘余應(yīng)力場分布.圖4可知，經(jīng)過單噴和雙噴后，C250鋼表面均存在深度約為200 μm的殘余壓應(yīng)力場.相比單噴，經(jīng)過雙噴后，表面的殘余壓應(yīng)力數(shù)值上升，達(dá)到屈服強(qiáng)度的一半左右;而經(jīng)過低周疲勞實(shí)驗(yàn)后在距試樣斷口2mm處取樣，測試殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，噴丸+低周疲勞實(shí)驗(yàn)后，殘余壓應(yīng)力場松弛明顯，如圖4中的單噴+低周疲勞和雙噴+低周疲勞所示.

圖4 經(jīng)過單噴、雙噴、單噴+低周疲勞和雙噴+低周疲勞后的殘余應(yīng)力分布情況

2.3 低周疲勞性能

兩種工藝噴丸后的C250鋼試樣的低周疲勞性能如圖5所示.原始試樣平均壽命為8 192次，單噴和雙噴后疲勞壽命增益分別為143%和188%，達(dá)到19892次和23544次，試樣的壽命分散度小.相比單噴，雙噴對C250鋼的低周疲勞壽命提高幅度更大.

圖5 原始、單噴和雙噴后試樣的低周疲勞壽命

3 分析與討論

金屬低周疲勞壽命是疲勞裂紋萌生壽命與疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的綜合.而噴丸對于C250鋼疲勞性能的影響，主要可以歸結(jié)為殘余應(yīng)力、微觀組織和表面形貌，前兩者和萌生壽命與擴(kuò)展壽命均相關(guān)，而表面形貌只與裂紋萌生壽命有關(guān).一般認(rèn)為，殘余應(yīng)力和微觀組織的強(qiáng)化作用可以增強(qiáng)金屬材料的疲勞抗力[8]，對于表面形貌的影響，目前存在爭論:部分研究[9]認(rèn)為噴丸產(chǎn)生的彈坑增加了表面粗糙度，是一種弱化作用;但也有研究[10]認(rèn)為，相比于機(jī)械加工的尖銳刀痕，噴丸產(chǎn)生的彈坑面積較大且底部圓滑，并不一定會(huì)增加表面應(yīng)力集中系數(shù)，優(yōu)選的噴丸工藝可能還能降低原先機(jī)械加工帶來的應(yīng)力集中系數(shù).

首先，由于采用了應(yīng)變控制的低周疲勞模式，在疲勞實(shí)驗(yàn)的過程中，外加拉應(yīng)力峰值均大于屈服強(qiáng)度，在反復(fù)的塑性形變中，噴丸殘余壓應(yīng)力松弛，殘余壓應(yīng)力強(qiáng)化效果不能有效發(fā)揮.

其次，噴丸過程是使金屬表面反復(fù)塑性形變的過程，噴丸之后出現(xiàn)了明顯的亞晶粒細(xì)化作用.如圖6所示采用(111)方向入射電子，觀察噴丸后的顯微組織.采用噴丸后，C250鋼表面出現(xiàn)了直徑200μm左右的亞晶粒(圖6a)和許多增殖位錯(cuò)(圖6b)，在疲勞過程中，由于亞晶界的強(qiáng)化作用，使得疲勞裂紋在擴(kuò)展通過亞晶界的過程需要更多的能量，延長了裂紋擴(kuò)展壽命，起到了組織強(qiáng)化的作用.

再次，相比于單噴，研究采用雙噴顯著減低了第1次噴丸后的表面粗糙度，單噴留下的較大彈坑被密集細(xì)小的玻璃丸彈坑所掩蓋，有效減小表面應(yīng)力集中程度，在疲勞過程中，表面實(shí)際受力減小，延長了裂紋萌生壽命.這個(gè)結(jié)果也在文獻(xiàn)[11]研究的18%Ni型高強(qiáng)鋼的高周疲勞性能有相應(yīng)體現(xiàn).

圖6 噴丸后C250鋼表面形成的亞晶粒

為加以佐證，設(shè)計(jì)了單噴后的打磨實(shí)驗(yàn)，用于實(shí)現(xiàn)表面平滑化作用.用2000#細(xì)砂紙仔細(xì)打磨單噴后試樣表面，消除單噴的彈坑痕跡，達(dá)到Ra=0.2 μm后再進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn).結(jié)果單噴+細(xì)砂紙打磨后試樣低周疲勞壽命與雙噴相當(dāng)，如圖7所示.可見表面光潔度產(chǎn)生的表面應(yīng)力集中系數(shù)對于C250鋼的低周疲勞性能有重要的影響.在其他條件相同的情況下，表面光潔度越高，則C250鋼的低周疲勞性能越好.

圖7 單噴、雙噴以及單噴+精細(xì)打磨C250鋼試樣的低周疲勞性能

應(yīng)該說明的是，表面平滑化對于低周疲勞壽命的增益影響要小于噴丸后表面變形產(chǎn)生的組織強(qiáng)化效果.為了分清表面平滑化和組織強(qiáng)化的效果，對比了加工后打磨試樣與加工后單噴試樣的低周疲勞壽命.結(jié)果加工后打磨試樣的平均低周疲勞壽命僅為11103次，其疲勞壽命遠(yuǎn)低于加工后單噴試樣(平均壽命為19892次)，單噴后試樣表面粗糙，但保存了噴丸的組織強(qiáng)化效果.

圖8 各試樣疲勞斷口

此外，從疲勞斷口(圖8)分析，原始試樣和單噴試樣疲勞斷口呈現(xiàn)多源疲勞的狀態(tài)，說明疲勞過程中表面層受力較大，而經(jīng)過二次噴丸后疲勞斷口變?yōu)閱卧雌冢f明實(shí)際受力較小.從斷口分析，經(jīng)過雙噴后，由于玻璃丸的平滑化作用，減小了表面應(yīng)力集中系數(shù)，使得表面實(shí)際受力減小.

4 結(jié)論

1)噴丸可以有效提高C250鋼的室溫低周疲勞壽命，經(jīng)過鑄鋼丸噴丸和二次噴丸后，疲勞壽命增益分別為143%和188%.

2)在低周疲勞的過程中，殘余應(yīng)力基本消除，噴丸的主要強(qiáng)化機(jī)制為亞晶粒細(xì)化和位錯(cuò)增殖強(qiáng)化.

3)在二次噴丸時(shí)，由于第2次噴射小彈丸的表面平滑化作用，C250鋼的低周疲勞壽命進(jìn)一步提高，由于玻璃丸的平滑化作用，減小了表面應(yīng)力集中系數(shù)，使得表面實(shí)際受力減小，斷口也從多源轉(zhuǎn)為單源.

4)對于低周疲勞壽命的增益影響，噴丸產(chǎn)生的組織強(qiáng)化效果大于二次噴丸帶來的表面平滑化效果.

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