循環載荷下噴丸層殘余應力與半高寬的變化

朱有利， 孫寒驍， 侯 帥

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

循環載荷下噴丸層殘余應力與半高寬的變化

朱有利， 孫寒驍， 侯 帥

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為研究30CrMnSiA鋼噴丸強化層抗疲勞性能在受循環載荷作用過程中的變化情況，采用疲勞試驗機對30CrMnSiA噴丸試樣施加循環載荷，通過X射線殘余應力測試儀測量試樣表面殘余應力和X射線衍射半高寬等數據，研究其在循環載荷作用下的變化規律。結果表明：噴丸引入的殘余壓應力在平行于載荷方向上早期即發生大幅松弛，之后基本保持穩定不變；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力基本不松弛；各個方向上的半高寬都會隨循環次數的增加而下降，下降規律基本與應力松弛規律相同，載荷越大，半高寬下降越多。

噴丸；殘余應力；應力松弛；半高寬

疲勞破壞是工程結構和機械失效的主要原因之一，噴丸是一種最常見的被廣泛應用于汽車、輪船和航空航天等各個領域的表面機械強化技術[1]。它利用高速飛行的彈丸反復轟擊材料表面，使材料表面產生劇烈的塑性變形和材料組織結構改變，同時引入殘余壓應力，從而抑制裂紋的萌生與擴展，并起到提高材料抗疲勞性能的作用[2]。但不恰當工藝參數的噴丸會使材料表面因過噴而產生裂紋，反而導致材料抗疲勞性能的下降[3-5]。

30CrMnSiA鋼是一種在航空航天領域被大量使用的結構鋼，用其制成的零部件大都能承受較大的交變載荷，但對疲勞性能有較高的要求，因此大量運用噴丸技術來制造該鋼零部件，以提高零部件抗疲勞性能[6]。但目前對該鋼噴丸強化層在使用過程中變化情況的研究較少,殘余應力場、位錯等都會受外載荷等外界條件影響，這些變化不僅會改變零部件的抗疲勞性能，亦會對強化后零部件的疲勞壽命預測帶來影響[7]。因此，筆者通過疲勞試驗機對經噴丸強化后的30CrMnSiA鋼疲勞試樣施加循環載荷，利用X射線殘余應力測試儀監測試樣噴丸強化層殘余應力及半高寬隨循環載荷的變化情況，并進行了分析，以期為零部件的定壽及噴丸工藝的優化提供一定的參考。

1 試樣制備與表征

1.1 試樣制備

選擇完全退火態30CrMnSiA鋼為實驗材料，加熱溫度為900 ℃，爐冷至550～650 ℃出爐空冷，熱處理后的抗拉強度為716.5 MPa，硬度為218.5 HV，其化學成分為：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標準設計并加工成如圖1所示的板狀疲勞試樣。

使用氣動噴丸機對30CrMnSiA鋼疲勞試樣進行噴丸強化，通過調節氣壓、槍口距離等參數，用弧高測量儀測量Almen試片飽和曲線，直至調節出0.6A的噴丸強度，以期能使疲勞試樣獲得較大的殘余應力，為方便觀察應力松弛現象，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疲勞試驗機模擬零件在工作中所受的外載荷，循環載荷的應力幅值分別取300、400 MPa，應力比為0.1，頻率為20 Hz。

通過X-350A型殘余應力測試儀測量噴丸前后板狀疲勞試樣的殘余應力與半高寬，工藝參數為：固定ψ法為側傾法，定峰法為交相關， 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，應力常數為-318 MPa，衍射晶面選擇(211)晶面，掃描步距為0.1°，計數時間為0.2 s，選取X線入射角ψ=0°，25°，35°三個角度以防止織構的干擾。在疲勞試樣工作段表面用記號筆做若干標記，以保證每次都對相同區域進行測量，排除殘余應力和組織結構分布不均帶來的誤差。將每個循環周次下所測得的殘余應力與半高寬值分別取平均值。

2 結果與分析

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化前后疲勞試樣表面的三維、二維形貌圖。

圖2 噴丸強化前后疲勞試樣表面三維形貌

圖3 噴丸強化前后疲勞試樣表面二維形貌

由圖2、3可以看出：噴丸強化前的試樣表面較為平整，表面粗糙度Ra=0.206 5 μm；噴丸強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則的圓形，從槍口噴出時的速率、方向及與試樣發生撞擊時的接觸面積、角度和應力大小不同，且同一區域所受到的彈丸沖擊次數也不同。

通過X射線衍射法測量表明：噴丸強化前，疲勞試樣的表面殘余應力約為152.5 MPa，半高寬為3.09°；噴丸強化后，表面殘余應力降至-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化造成的，這說明噴丸強化過程中彈丸的反復沖擊使材料表層發生了劇烈的塑性變形并使該層晶粒細化，同時還引入了較大的殘余壓應力，進而抑制了疲勞裂紋的萌生。這是噴丸強化工藝提高材料抗疲勞性能的主要機理。

2.2 殘余應力

循環載荷作用下疲勞試樣表面殘余應力變化如圖4所示。由圖4(a)可以看出：隨著循環周次的增加，應力作用下的縱向殘余壓應力急劇松弛，在約10周次循環后趨于穩定，其300、400 MPa應力作用下的穩定值分別約為-220、-100 MPa，分別松弛了約40%與65%。這表明：應力越大，縱向殘余應力松弛的速率與幅值越大，這種在前期較短循環周次內發生的劇烈松弛現象可看作靜載松弛，這是由于試樣在外載荷作用下產生了微觀裂紋。其原因為：試樣不可避免地會存在二相粒子、劃痕、腐蝕坑等應力集中系數較大的“薄弱區”，當對試樣施加小于屈服強度的應力時，材料從宏觀上未屈服但在“薄弱區”會發生局部屈服，產生微觀裂紋，殘余應力場因此而重新分布，造成了殘余應力的松弛[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力基本不受影響。以上結果表明：盡管噴丸強化可引入幅值十分可觀的殘余壓應力，但該殘余壓應力在短短的10周次循環內就大幅松弛了，相對于大部分疲勞壽命為105～107數量級的零部件而言，實際上起到抗疲勞作用的只有穩定后的部分殘余壓應力。

圖4 循環載荷作用下疲勞試樣表面殘余應力變化

2.3 半高寬

圖5為在循環載荷作用下疲勞試樣表面半高寬隨循環周次的變化規律。可以看出：無論是沿軸向還是沿徑向，半高寬都隨著循環次數的增加而減小，并在約10周次循環后逐漸趨于穩定，應力為300、400 MPa時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。其原因為：位錯密度、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載荷遠低于材料抗拉強度，難以使材料晶粒尺寸發生變化，所以半高寬隨循環周次的增加而減小很可能是由位錯密度的變化造成的，此外也會有一部分異號位錯在移動過程中相互抵消。根據文獻[10]可知位錯密度與半高寬的關系為

圖5 在循環載荷作用下疲勞試樣表面半高寬隨循環周次的變化規律

(1)

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

3 結論

通過氣動噴丸機對30CrMnSiA疲勞試樣進行噴丸強化，并利用X射線殘余應力測試儀測試了噴丸強化層表面殘余應力、半高寬隨疲勞試驗機施加的循環載荷次數的變化情況。結果表明：強化層表面軸向殘余壓應力及半高寬先在前10周次循環內迅速下降，之后保持穩定。下一步，可根據這一現象優化噴丸工藝參數，力求獲得更大的穩定殘余壓應力幅值，以提高噴丸強化的抗疲勞強化效果；亦可將此現象納入零部件定壽的衡量參數，用以提高壽命預測的準確性。

[1] 朱有利， 王燕禮， 邊飛龍， 等. 金屬材料超聲表面強化技術的研究與應用進展[J]. 機械工程學報, 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.

[3] Fathallah R, Laamouri A, Sidhom H, et al. High Cycle Fatigue Behavior Prediction of Shot-peened Parts[J]. International Journal of Fatigue， 2004, 26:1053-1067.

[4] Unal O, Varol R. Surface Severe Plastic Deformation of AISI 304 via Conventional Shot Peening, Severe Shot Peening and Repeening[J]. Applied Surface Science, 2015, 351:289-295.

[5] Fu P, Zhan K, Jiang C H. Micro-structure and Surface Layer Properties of 18CrNiMo7-6 Steel after Multistep Shot Peening [J]. Materials and Design, 2013, 51: 309-314.

[6] 包俊成， 趙捷， 王志奇， 等. 表面強化對30CrMnSiA鋼疲勞性能的影響[J]. 機械工程材料, 2010, 34(6): 71-73.

[7] Wang S W, Nishida S, Hattori N, et al. Effect of Plastic Deformation by Roller-working on Fatigue Strength of Notched Specimen[J]. JSME International Journal A, 2000, 43(4): 415-422.

[8] 高玉魁. 超高強度鋼噴丸表面殘余應力在疲勞過程中的松弛規律[J]. 材料熱處理學報, 2007, 28(S): 102-105.

[9] 王宏偉， 馬晉生， 南俊馬， 等. 表面微觀屈服強度與疲勞極限的關系[J]. 金屬學報, 1991, 27(5): 365-369.

[10] 邱瓊， 王仁智. 關于殘余應力的靜載松弛與最佳噴丸殘余應力場的研究[J]. 金屬科學與工藝, 1988, 7(1): 1-7.

(責任編輯: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

北京市自然科學基金資助項目(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