表面強化對不銹鋼表面完整性的影響

黃明月　李希同　李海　李世豪

摘 要：噴丸強化使最簡單的表面強化工藝，對不銹鋼316進行噴丸強化，綜述了噴丸強化技術(shù)對材料表層殘余應力分布、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。通過對表面完整性參數(shù)的研究，得出噴丸強化使表面完整性得以提高。

關(guān)鍵詞：噴丸強化；表面完整性；殘余應力；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，殘余應力等參數(shù)。由于目前的不銹鋼316不能滿足市場性能的需要，需要對其進行表面強化處理，使其提高表面表面完整性能，進而提高材料的壽命，抗疲勞強度等。

2 研究意義

不銹鋼的生產(chǎn)和銷售是我國出口經(jīng)濟的重要組成部分，它對我國的經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大的貢獻。但是從目前的不銹鋼出口貿(mào)易來看，我國的不銹鋼出口遇到了很大的阻力。從近幾年來看，國外一直頻繁的傳來對我國不銹鋼的產(chǎn)品進行雙規(guī)的新聞報道，這對于我國的不銹鋼鑄造產(chǎn)業(yè)來講有很大的影響，出口是我國不銹鋼產(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份額，出現(xiàn)此情況，我國不銹鋼產(chǎn)業(yè)應該不斷提高產(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)主導地位，立于不敗之地。基于此本試驗研究提高不銹鋼316的材料性能，不斷地提高不銹鋼的表面完整性，進而提高其疲勞性能，延長壽命，提高不銹鋼的核心競爭力，也為本民族不銹鋼發(fā)展作出自己的貢獻。

3 主要工作

本實驗采用噴丸強化處理，因為噴丸強化是目前最簡單也是企業(yè)應用最為廣泛的一種處理方法。噴丸強化技術(shù)借助高速運動的彈丸流或者高能沖擊波不斷撞擊材料的表面，因為其是一種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展，進而提高材料的壽命。因此，在本文中通過四個表面完整性參數(shù)闡述了有關(guān)噴丸強化對表面完整性的影響，總結(jié)了噴丸強化技術(shù)對微觀結(jié)構(gòu)，硬度，殘余應力，表面粗糙度等表面完整性因素的影響規(guī)律分析，進而得出控制表面完整性的因素，促進噴完技術(shù)的發(fā)展，是人們按照自己理想的需求性能來控制表面完整性參數(shù)來達到目標。

3.1表面粗糙度

噴丸強化過程中彈丸高速撞擊材料表面會引起材料的塑性變形，并且會在表面形成凹坑，會引起表面粗糙度的增大，而且不當?shù)墓に噮?shù)甚至會引起材料的表層開裂等表面損傷，損害零件的性能，所以被噴丸材料的表面粗糙度是一項重要的指標，控制材料的表面粗糙度從而控制表面完整性能。噴丸強化參數(shù)對表面粗糙度有很大的影響，噴完強度增加，表面粗糙度也增加。而且隨著噴完時間的增加，表面粗糙度上升到一定程度會下降，如圖1所示

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

3.2 顯微結(jié)構(gòu)

以不銹鋼316為例進行打磨拋光，腐蝕后在顯微鏡下可觀察到細化的奧氏體組織，對裂紋萌生產(chǎn)生阻礙作用，未噴丸的部分奧氏體組織明顯比噴丸過的奧氏體大，這進一步阻礙了裂紋的擴展，從而提高了表面完整性。在噴丸強化過程中，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化作用對晶體的應變起到了抑制作用，從而提高了材料的表面完整性能。噴丸強化后的組織細化機制是由于在彈丸撞擊下接觸應力超過了屈服強度，受噴材料表層產(chǎn)生位錯和剪切等缺陷，缺陷在相互交錯后形成了細化的胞狀組織。

噴丸強度對不銹鋼316影響層深度為300um納米層的深度20um。噴丸強化后通過對顯微結(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 殘余應力

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

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

3.4 表層硬度

噴丸強化后表層硬度呈現(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。噴丸強化使材料表層硬度大幅度提高，噴丸強化使調(diào)控硬度最簡單也是最有效的方法，噴完強度越高，表層硬度值越大，硬度層深度越深。此外，噴丸彈丸的大小，噴丸時間也對表面層硬度有較大的影響。如圖2所示，從圖可見，大的直徑彈丸對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)，時間越唱深度增加。

4 結(jié)語

通過不斷調(diào)整噴丸的工藝參數(shù)來對表面完整性參數(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表面完整性的監(jiān)測和控制系統(tǒng)進行控制和改善表面完整性，對重要零件的生產(chǎn)進行嚴格的表面完整性控制。