復合表面改性對M50NiL鋼拉壓疲勞壽命的影響

余加邦，梁益龍，鄒江河，張鳳泰，彭翔

(1. 貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽，550025；

2. 貴州省材料結構與強度重點實驗室，貴州貴陽，550025；3. 高性能金屬結構材料與制造技術國家地方聯合工程實驗室，貴州貴陽，550025)

金屬材料的失效大多源于材料表面[1]，為提高材料使用壽命，人們開發了多種表面處理技術用于提升材料表面質量，并取得了顯著成效[2]。然而，隨著材料服役環境的惡化，人們對材料的服役壽命提出了更高要求。因此，通過新的改性方法獲得更高的材料表面質量已成為延長材料服役壽命、保障機械裝備運行安全的重要手段。

表面化學熱處理和表面形變強化處理被廣泛用于改善金屬構件的疲勞性能。化學熱處理可使合金元素滲入金屬表層，改變金屬材料的表面顯微組織和殘余應力分布，從而提高金屬材料的疲勞抗力[2]。滲碳是最常見的化學熱處理方式，已在合金鋼中廣泛應用。XIAO 等[3]研究發現真空滲碳試樣表面產生高硬度硬化層和殘余壓應力層，有效提高了20Cr2Ni4鋼的彎曲疲勞性能。PENG等[4]對AISI 316L 奧氏體不銹鋼進行低溫表面滲碳處理，發現滲碳層固溶強化和滲碳引起的殘余壓應力抑制了疲勞裂紋萌生，顯著提高了材料的疲勞性能。表面形變強化處理是通過機械手段在表層產生塑性變形，進而誘導產生較高的殘余壓應力，并產生加工硬化現象。表面形變強化處理能改善表面質量，抑制疲勞裂紋在表面的形核和擴展，能極大地提高構件的疲勞壽命[5-6]。磨料水射流噴丸(abrasive water jet peening，AWJP)是一種可有效提升構件疲勞性能的表面強化工藝。鄒雄等[7]研究了AWJP對滲碳GDL-1鋼表面完整性及疲勞性能的影響，發現試樣經AWJP處理后，表面粗糙度有所增加，AWJP產生的高殘余壓應力和晶粒細化顯著提高了滲碳鋼的疲勞性能。AZHARI 等[8]利用AWJP對Ti-6Al-4V進行表面處理，發現AWJP產生的殘余壓應力抑制了裂紋在表面萌生，使試樣疲勞極限提升25%。表面超聲滾壓技術(ultrasonic surface rolling process，USRP)是一項結合了傳統滾壓技術和超聲波技術優點的新技術[9]，該技術僅需較低的載荷即可在試件表面形成較深的塑性變形層和高的殘余壓應力，從而提高試樣疲勞壽命。ZHAO 等[10]對300M 鋼進行USRP 處 理，發現試樣表面缺陷減少，殘余壓應力和硬度增大，抗微動疲勞和腐蝕疲勞性能顯著提升。LIU 等[11]研究了USRP 對Ti-6Al-4V 合金疲勞行為的影響，發現與未處理試樣相比，USRP處理的試樣疲勞極限提高22%以上。為滿足構件性能要求，人們將2種或多種表面改性方法組合起來形成復合表面改性工藝。FU 等[12]研究了AWJP 和USRP 復合處理對AISI 4340 鋼表面完整性和疲勞性能的影響，發現復合處理時可使試樣在保持大塑性變形的同時獲得良好的表面狀態，試樣疲勞極限由510.0 MPa提升到595.7 MPa。TSUJI 等[13]研究了等離子滲碳和深滾復合處理對Ti-6Al-4V 合金缺口疲勞性能的影響，發現等離子滲碳處理降低了試樣的缺口疲勞壽命，但隨后的深滾處理則顯著提升了疲勞壽命，可見等離子滲碳與深滾復合處理有效改善了Ti-6Al-4V合金的缺口疲勞性能。

M50NiL鋼是在M50鋼的基礎上演變而來的一種表面硬化鋼，已廣泛應用于飛機軸承、齒輪[14-15]。目前，對M50NiL鋼的研究主要集中在表面化學熱處理，包括氣體滲碳[16]、真空滲碳[17]、等離子滲碳[18-19]、等離子滲氮[20]、等離子氮碳共滲[21-22]及滲碳后滲氮復合化學熱處理[23-25]等，而對滲碳M50NiL 鋼的表面形變強化研究較少[26]。因此，對滲碳M50NiL鋼的表面形變強化進行研究具有重要意義。本文作者以M50NiL 鋼為研究對象，首先對其進行滲碳處理，然后對M50NiL滲碳鋼分別進行單一AWJP處理和AWJP+USRP復合表面改性處理，研究表面形貌、表面粗糙度、表層硬度和殘余應力場對疲勞壽命的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與表面改性方法

實驗材料為M50NiL鋼，材料采用真空感應熔煉(VIM)+真空自耗重熔(VAR)工藝進行熔煉，材料純凈度較高，其化學成分如下：C，0.13%(質量分數，下同)；Cr，4.14%；Ni，3.37%；Mo，4.07%；V，1.24%；Mn，0.29%；Si，0.19%；P，0.005%；S，0.002%；Fe，余量。所有試樣均從直徑為45 mm的退火態圓棒上切割而來，然后將其車削加工成如圖1所示疲勞試樣。將疲勞試樣進行砂紙研磨和酒精超聲清洗，然后進行滲碳及熱處理，具體工藝為：950 ℃，90 min 真空滲碳→690 ℃，180 min 真空退火→1 090 ℃，30 min 高純度N2淬火→540 ℃，100 min 回火，重復3 次。最后，通過砂紙對試樣沿軸向進行拋光。

將上述經滲碳及熱處理的疲勞試樣分為3 組。第1 組試樣不作后續處理，處理工藝用CP 表示；第2 組試樣經CP 處理后，再進行AWJP 處理，處理工藝用CP+AWJP 表示。AWJP 處理采用江蘇旭升水射流科技公司生產的SQ1313型高壓水射流噴丸設備，其基本原理如下：依靠磨料的自重和高速水流產生的負壓，將磨料粒子“抽吸”進入混合室，并與攜帶巨大能量的高壓水混合，然后高速噴射到金屬表面，使材料表面產生塑性變形，其加工示意圖如圖2(a)所示。在試驗過程中，試樣固定在三爪卡盤上，同時以恒定速度ν1旋轉；射流噴嘴垂直于試樣且與試樣最低點間隔距離d，以恒定的進給速度ν2沿試樣軸向運動；磨料為粒徑為0.2 mm 的圓形不銹鋼丸，其在高壓水流的攜帶下經噴嘴噴射至試樣表面。加工次數為1 次，AWJP 具體工藝參數如表1 所示。第3 組試樣先進行CP+AWJP 工藝處理，再進行USRP 復合表面改性處理，處理工藝用CP+AWJP+USRP 表示。USRP 處理使用山東華云機電有限公司生產的HK30C 型毫克能超聲滾壓加工設備，其產生的高頻超聲波電信號經過換能器、放大器處理后，通過超聲滾壓工具頭傳遞至材料表面，可實現材料表面的高頻機械振動。超聲滾壓工具頭為可滾動的WC/Co 球，其直徑為14 mm，洛氏硬度為80，粗糙度為0.1 μm。在USRP加工過程中，試樣固定在三爪卡盤上并以恒定速度ν3旋轉，同時，超聲滾壓工具頭以恒定的進給速度ν4沿試樣軸向運動。在此過程中，超聲滾壓工具頭在恒定外加氣壓的作用下壓入材料表面，并在超聲波作用下對材料進行高頻動載沖擊，使材料表面產生塑性變形。USRP處理次數為2次，第2次加工方向與第1次的相同。USRP 加工示意圖如圖2(b)所示，具體工藝參數如表2所示。

表1 磨料水射流噴丸(AWJP)工藝參數Table 1 Parameters of abrasive water jet peening process

表2 表面超聲滾壓(USRP)工藝參數Table 2 Ultrasonic surface rolling processing parameters

1.2 表征方法和力學性能測試

在化學腐蝕剝層的基礎上，利用GNR 型X 射線殘余應力儀測量試樣不同深度的殘余應力，試驗采用Cr-Kα輻射。采用HV-1000數顯顯微硬度儀測量改性層硬度分布，載荷為0.98 N，保壓時間為15 s。利用體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕樣品橫截面，然后利用ICX41M型金相顯微鏡觀察試樣顯微組織。使用OLS5000 型激光共聚焦顯微鏡進行表面形貌和表面粗糙度測量和分析。利用加速電壓為200 kV 的FEI Talos F200X 型透射電子顯微鏡(TEM)分析試樣表面組織。在最大應力水平σmax=800 MPa條件下，利用頻率為100 Hz的AQG-100疲勞試驗機進行拉壓疲勞性能測試，疲勞試驗在常溫下進行，應力比R=-1。采用SUPRA40-41-90掃描電鏡(SEM)觀察疲勞失效斷口。

2 結果和討論

2.1 表面顯微組織

圖3所示為不同表面改性工藝處理試樣的橫截面形貌。由圖3(a)可見，CP 處理試樣表面輪廓較為完整。由圖3(b)可見，經過單一AWJP處理，試樣表面出現許多由磨料撞擊和沖蝕形成的凸起和凹坑，部分凸起和凹坑連接形成鋸齒狀缺陷，表面完整性變差。由圖3(c)可見，經過AWJP+USRP復合表面改性處理，試樣表面經AWJP處理形成的缺陷消失，試樣表面輪廓變得較為平整。這是因為USRP處理是一個“削峰填谷”過程，表層金屬變形流動使“峰”和“谷”消失，部分較深凹坑變形閉合形成折疊縫隙。

圖4 所示為經CP 工藝、CP+AWJP 工藝及CP+AWJP+USRP 工藝處理的試樣表面TEM 圖像。從圖4(a)可以看出，鐵素體和碳化物的相界面清晰可見，界面處僅有少量位錯。而經單一AWJP處理和經AWJP+USRP復合表面改性處理的試樣，在碳化物界面及附近基體中出現大量位錯，并形成位錯纏結。表面形變強化處理使鐵素體基體中的位錯大量增加。王婷等[27]發現位錯密度的增加會導致位錯胞或位錯纏結在原始晶界附近，產生亞晶界并形成新的晶界。當位錯運動遇到障礙時，會在界面附近形成位錯堆積。

2.2 表面形貌和粗糙度

材料表面應力狀態對構件的疲勞性能有重要影響，現代抗疲勞制造要求材料表面無應力集中現象。圖5所示為不同表面改性處理試樣的表面形貌及三維形貌。由圖5(a)和(d)可見，CP 工藝處理的試樣表面有許多沿軸向分布的深淺不一的機械加工痕跡。由圖5(b)和(e)可見，CP+AWJP 工藝處理的試樣表面出現許多由磨料隨機撞擊和沖蝕形成的凸起和凹坑。由圖5(c)和(f)可見，CP+AWJP+USRP工藝處理的試樣表面只留下少許深度較淺的凹坑，絕大部分由AWJP處理形成的表面凸起和凹坑經USRP處理后消失，表面光潔度顯著提高。

表3 所示為不同工藝處理試樣的表面粗糙度。一般來說，表面粗糙度越大，試樣缺口效應越大，應力集中程度越大，構件的疲勞性能越差[28-29]。通常情況下，試樣經磨料水射流噴丸處理時，噴丸能量越高，試樣表面沖蝕情況越嚴重，其表面粗糙度越高，疲勞性能越差。試樣表面可以看作由許多微小的缺口組成，表面粗糙度對疲勞壽命的影響類似于表面缺口效應的影響，表面缺口對疲勞的影響可以用理論應力集中系數Kt表示[28]：

表3 不同工藝處理試樣的表面粗糙度Table 3 Surface roughness of specimens treated by different processes

式中：h為缺口深度；ρ為缺口根部的曲率半徑；γ為不平度間距與高度之比的相關系數。由式(1)可知，缺口深度h越深，曲率半徑越小，應力集中越容易形成。應力集中系數對構件疲勞性能的影響也與材料的缺口敏感性有關，因此，引入有效應力集中系數Kf[30]：

式中：q為材料對應力集中的敏感系數，是與材料強度和微缺口尺寸形狀相關的函數。隨著材料強度增加，q增大。

由式(1)和式(2)可知，表面粗糙度越小，有效應力集中系數越小，疲勞裂紋萌生越困難，疲勞壽命越高。由表3可知，經AWJP工藝處理后，試樣表面輪廓的算術平均偏差和輪廓的最大高度均大幅增加，增幅分別為577%和525%，試樣表面Kt增加，應力集中敏感性增大。經AWJP+USRP復合表面改性處理后，試樣表面缺陷減少，輪廓的算術平均偏差和輪廓的最大高度分別較AWJP處理時降低87.5%和82.0%，此前由AWJP 處理形成的高應力集中表面經USRP處理后應力集中程度大幅度降低。

2.3 硬度分布

表面硬度對材料的疲勞性能有顯著影響。高硬度表面有利于改善材料的疲勞性能，抑制微裂紋在材料表面的萌生和擴展[31]。圖6所示為不同改性工藝處理后試樣的表層維氏硬度分布。從圖6可知，隨著距表面深度的增加，試樣的維氏硬度呈逐漸下降的趨勢。滲碳試樣的滲碳層深度為1 200 μm，其表面維氏硬度為690；距表面110 μm處維氏硬度達到最大值，約705，隨后逐漸下降。經單一AWJP和AWJP+USRP復合表面改性處理后試樣表面維氏硬度分別提高到780 和840，提高幅度分別為13.0% 和21.7%。此外，經AWJP 和AWJP+USRP復合表面改性處理的試樣分別在試樣表層形成了深度約220 μm 和300 μm 的加工硬化層。塑性變形引起的位錯增殖和晶粒細化導致試樣硬度提高[6,10]。AWJP+USRP 復合改性工藝結合了AWJP與USRP工藝的優點，所得試樣表面硬度最高，形變硬化層深度最大。

2.4 殘余應力分布

高殘余壓應力不僅可以抑制疲勞裂紋的萌生，而且可以增加裂紋的閉合效應從而延緩裂紋的擴展[5,10-11]。在AWJP 和USRP 處理過程中，材料表層發生不均勻塑性變形，表層組織發生晶格畸變而產生殘余壓應力[6-8]。圖7 所示為不同表面改性處理試樣的殘余應力分布(其中負值表示壓應力)。所有試樣的殘余壓應力深度相同，總殘余壓應力深度為1 200 μm，與滲碳層深度相同。所有試樣的表面均為殘余壓應力，隨著距表面距離的增加，殘余應力呈下降趨勢。滲碳試樣的表面殘余應力為-160 MPa，在距離表面160 μm 處達到最大值-245 MPa。經過AWJP處理后，試樣表層產生了深度約400 μm的殘余壓應力層，殘余應力呈“鉤”形分布，表面殘余應力為-870 MPa，在距表面深度10 μm 處，殘余壓應力出現最大值，為-957 MPa。試樣經AWJP+USRP復合表面改性處理后，表面殘余壓應力最大，最大殘余應力為-1 398 MPa，殘余應力層深度約600 μm。與CP+AWJP 工藝相比，CP+AWJP+USRP 工藝處理后的試樣殘余壓應力更高，殘余壓應力深度更大，這主要是由于后者使材料表層經歷了更強烈的塑性變形，后續USRP處理的超聲波能量大且傳遞效率較高。

2.5 疲勞壽命和斷口分析

通過拉壓疲勞試驗，評估M50NiL鋼在不同工藝處理前后的疲勞性能，每種試驗參數的疲勞試樣不少于5個，根據HB/Z 112—1986處理疲勞試驗所得數據。表4 所示為在最大應力σmax=800 MPa，R=-1 條件下，不同表面處理工藝所得M50NiL 鋼的疲勞壽命Nf，其中疲勞壽命增益I 為CP+AWJP工藝和CP+AWJP+USRP工藝處理所得試樣相對于CP 工藝處理所得試樣的中值疲勞壽命增長倍數；疲勞壽命增益II 為CP+AWJP+USRP 工藝處理所得試樣相對于CP+AWJP工藝處理所得試樣的中值疲勞壽命增長倍數。由表4可知：當σmax=800 MPa，R=-1 時，滲碳M50NiL 鋼的疲勞壽命較低，經過單一AWJP處理后，其疲勞壽命提升22.4倍。而在AWJP 處理的基礎上，再進行USRP 復合表面處理，試樣的疲勞壽命進一步提高，相對于CP工藝下試樣的疲勞壽命提升48.6倍，相對于單一AWJP工藝處理時的疲勞壽命增益也達到1倍以上。以上結果表明，復合表面改性處理可顯著提高M50NiL鋼的拉壓疲勞壽命。

表4 M50NiL鋼拉壓疲勞壽命對比Table 4 Comparison of tension-compression fatigue life of M50NiL steel

圖8 所示為CP 工藝、CP+AWJP 工藝和CP+AWJP+USRP 工藝處理所得試樣的疲勞斷口SEM形貌。由圖8可見：所有試樣的疲勞斷口均顯示出3個典型的區域即裂紋萌生區、穩定擴展區和瞬斷區，3種處理工藝所得試樣的疲勞斷口都呈現出單一疲勞裂紋源的特征。CP 試樣的疲勞裂紋出現在某些應力集中的表面(圖8(a))。滲碳試樣經過機加工和砂紙拋光后，表面出現許多深淺不一的加工缺陷和劃痕(見圖5(a)和(d))，這些表面缺陷為疲勞裂紋萌生的起點。滲碳試樣疲勞失效機制為“表面缺陷誘導疲勞失效”。經過AWJP 處理和AWJP+USRP復合表面改性處理后，試樣疲勞裂紋萌生位置轉移至試樣內部，疲勞裂紋源向內部轉移的過程中通常伴隨著疲勞壽命的顯著增加[31]。由圖8(b)和(c)可見：CP+AWJP 和CP+AWJP+USRP 工藝所得試樣的疲勞裂紋源深度(裂紋源至最近表面的距離)分別為1 496 μm 和1 535 μm。對所有表面形變強化試樣疲勞斷口進行統計，發現疲勞裂紋源深度范圍為1 300～2 050 μm，皆大于滲碳層深度，為試樣的基體區域。CP+AWJP 工藝和CP+AWJP+USRP工藝處理所得試樣的疲勞失效機制為“基體缺陷誘導疲勞失效”。

由圖8 還可見：滲碳處理的M50NiL 鋼的疲勞失效從試樣表面開始。這是因為：1)滲碳處理后試樣表面硬度較高，高硬度的滲碳層抑制了疲勞裂紋的形核過程[32]，裂紋只能在表面或基體中萌生；2)試樣經機加工和砂紙拋光后，其表面留下許多加工缺陷，這些表面缺陷在硬度很高的滲碳試樣表面極易形成應力集中，成為裂紋萌生位置[33-35]；3)試樣表面較小的殘余壓應力不足以抑制試樣表面裂紋的萌生和擴展。

滲碳試樣經過單一AWJP處理后，表面發生塑性變形，表面殘余壓應力提高到-870 MPa，并產生了深度為400 μm 的殘余壓應力層，表層殘余壓應力抵消了疲勞加載中部分拉應力載荷，有效抑制了表面疲勞裂紋萌生和初始裂紋的擴展[12,36-37]。同時，AWJP處理使試樣表層產生加工硬化，表層硬度提高，并與滲碳層形成過渡平緩的硬度層，這一梯度硬度分布有利于提高表層承載能力和抑制疲勞裂紋萌生[6,10,36]。AWJP 處理后試樣疲勞壽命的提高是表面高殘余壓應力、表面加工硬化綜合作用的結果。與單一AWJP 工藝相比，經AWJP+USRP復合表面改性處理后，試樣表層的殘余壓應力和硬度更高，產生的殘余壓應力深度和表面硬化層深度更大，更有效降低了試樣表面受到的有效循環拉應力，提升了試樣的承載能力，有效抑制了表面裂紋的萌生和擴展。同時，試樣硬度的提高也降低了試樣表面的應力集中程度。通常，硬度與金屬材料的屈服強度呈正比[38]，提高表面屈服強度可以提高金屬材料的抗應力集中能力[39]。AWJP+USRP復合表面改性處理試樣的表層硬度比AWJP處理試樣的高，其表面應力集中程度比AWJP處理試樣的低，更高的表層硬度減緩了應力集中區域的疲勞裂紋萌生。此外，AWJP處理后形成的凹坑被消除，表面缺陷減少，表面應力集中程度降低，使試樣表面裂紋形核概率減小[10,28,40]。復合表面改性處理后疲勞壽命的提高是表面高殘余壓應力、表面加工硬化和表面低粗糙度綜合作用的結果。AWJP+USRP復合表面改性處理試樣表現出比單一AWJP 處理試樣更好的疲勞性能。

盡管復合處理大幅度降低了試樣表面粗糙度，但由于在AWJP處理時已在試樣表面形成了深的凹坑和凸起，復合處理后試樣表面仍存在部分折疊縫隙和凹坑等缺陷，這些缺陷在工件服役過程中容易產生應力集中，導致裂紋開裂，降低疲勞壽命。在實際應用中，應該優化AWJP 和USRP 工藝，特別是AWJP工藝，獲得無缺陷或缺陷很少的表面，以提高材料的表面完整性，進而提高其服役壽命。

3 結論

1)單一AWJP 處理后試樣表面粗糙度大幅增加，輪廓的算術平均偏差與輪廓的最大高度增幅分別為577%和525%；經AWJP+USRP復合表面改性處理后，試樣獲得了更為平整的表面形貌和更低的表面粗糙度，輪廓的算術平均偏差和輪廓的最大高度較AWJP處理時分別降低87.5%和82.0%。

2)與單一AWJP 處理相比，AWJP+USRP 復合表面改性處理使試樣獲得了更大的表面殘余壓應力和表面硬度，殘余壓應力層及加工硬化層深度更大。

3)在單一AWJP 處理的基礎上，對滲碳M50NiL 鋼進行AWJP+USRP 復合表面改性處理，能進一步提升其疲勞壽命。在最大應力水平σmax=800 MPa，R=-1 條件下，單一AWJP 處理使滲碳M50NiL 鋼拉壓疲勞壽命提高22.4 倍，AWJP+USRP 復合表面改性處理使其拉壓疲勞壽命提高48.6倍。

4)殘余壓應力場和表面硬化是影響AWJP試樣疲勞壽命提升的主要因素，而AWJP+USRP復合表面改性處理后試樣疲勞壽命的提升則是殘余壓應力場、表面硬化及表面形貌改善綜合作用的結果。