熊 諦,王立強,徐小嚴,呂玉廷,呂維潔

(上海交通大學材料科學與工程學院,金屬基復合材料國家重點實驗室,上海 ２００２４０)

摘 要:采用０．１５,０．２０,０．２５mm 的噴丸強度對鑄態(tài)鎳鋁青銅進行了表面噴丸強化處理,對比分析了噴丸前后鎳鋁青銅表層的殘余應力、顯微硬度、微觀形貌及表面粗糙度,并計算了表層的亞晶尺寸和顯微畸變.結果表明:隨著噴丸強度的提高,鎳鋁青銅表面的殘余壓應力和加工硬化程度都逐漸增大;但噴丸強度過大時,表面粗糙度明顯增大并伴隨有顯微裂紋產生,從而導致表層應力釋放,使得殘余壓應力增大幅度下降,減弱了強化效果.

關鍵詞:鎳鋁青銅;噴丸;殘余應力;顯微硬度;表面粗糙度

０ 引 言

鎳鋁青銅鑄件具有較好的力學性能,且抗海水腐蝕性較強,因此常用于制造諸如螺旋槳葉片等海洋裝備零部件[１－３].螺旋槳葉片具有大變形截面,表面存在一定的拉應力,在服役過程中長期受到海水沖擊浸泡,易造成腐蝕疲勞而產生斷裂失效,因此,其抗腐蝕疲勞性能對其壽命影響很大.噴丸是一種工業(yè)領域常用的表面強化手段[４].材料經噴丸處理后,其表層發(fā)生加工硬化,產生殘余壓應力場的同時表面形貌發(fā)生變化[５],能有效提高材料表面硬度和耐疲勞等性能[６－８].噴丸強度是噴丸處理的主要工藝參數(shù),了解噴丸強度與噴丸處理后材料表層性能之間的關系,對優(yōu)化噴丸工藝和提高材料性能十分重要.然而國內目前鮮有噴丸對鎳鋁青銅表面改性作用的研究報道,因此,作者在其他條件相同的情況下,采用三種噴丸強度對鎳鋁青銅進行噴丸強化,研究了噴丸強度對鎳鋁青銅表面強化效果的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

試驗材料為鎳鋁青銅鑄錠,尺寸為?１５０mm×２００mm,其化學成分(質量分數(shù)/％)為９．５Al,４．２Ni,４．０Fe,１．２Mn,余Cu.在鑄錠上截取尺寸為２０mm×１５mm×１０mm的試樣,經４００℃×４h去應力退火處理后,用SiC砂紙打磨至２０００＃ ,再用粒徑為０．２５μm的金剛石懸浮液對待噴丸表面進行拋光處理.噴丸介質采用 B４０陶瓷彈丸,彈丸平均直徑為０．３５ mm,顯 微 硬 度 為 ７００ HV.噴 丸 強 度 (A 型Almen標準試片的弧高)分別為０．１５,０．２０,０．２５mm,表面覆蓋率均為２００％.

１．２ 試驗方法

根據(jù) GB/T７７０４－２００８,采用 ProtoＧLXRD 型X射線應力分析儀測表層殘余應力,管電壓３０kV,管電流 ２５ mA,X 射線彈性常數(shù) S２/２ 取 １１．７２×１０－６ MPa－１,S１ ?。常保?times;１０－６ MPa－１,準直管直徑為２mm;同時檢測 Cu(４２０)晶面衍射峰,采用銅靶,Kα 射線,鎳濾波片,對應２θ 約為１４４．７°;利用雙５１２通道位敏探測器探測 X 射線信號,ψ 角在±４５°內優(yōu)化設置１７站,采用同傾衍射幾何方式.為了得到殘余應力沿深度的變化,采用 ProtoＧ８８１８型電解拋光機對試樣進行電化學腐蝕剝層,電壓為１５V,電流為２A,電解液為飽和 NaCl水溶液,利用數(shù)顯千分尺測腐蝕深度.

采用 HSVＧ３０P型數(shù)顯顯微維氏硬度儀測表層顯微硬度分布,載荷為０．２４５N,加載時間１０s,測五次取平均值.采用 NanonaviEＧSweep型原子力顯微鏡測表面三維形貌及粗糙度.沿噴丸方向取樣,用鑲嵌粉熱鑲,經研磨拋光后采用JSMＧ６４６０型掃描電子顯微鏡觀察試樣截面形貌.

圖１ 未噴丸和三種強度噴丸后試樣的殘余應力沿深度的分布

Fig．１ Distributionsofresidualstressalongthedepthofsamples

beforeandaftershotpeeningatthreeshotpeeningintensities

２ 試驗結果與討論

２．１ 殘余應力

由圖１可知,未噴丸試樣表層存在一定的殘余壓應力,其大小從表面向心部逐漸減小,殘余壓應力層深１００μm,這是由機械拋光處理造成的[９];不同噴丸強度噴丸處理后,試樣表面的殘余壓應力明顯高于未噴丸試樣的,且隨著深度的增加,殘余壓應力先增大后減小,在次表層達到最大.為了方便描述,用四個特征參數(shù)來分析殘余壓

應力場:表面殘余壓應力σs、最大殘余壓應力σm 、最大殘余壓應力深度 Zm 、殘余壓應力場深度 Z.由表１可知,試樣的σs 和σm 隨著噴丸強度的增大,分別以約５％和８％的幅度增大;Z 以２０％的幅度增大,而噴丸強度為０．２０mm 和０．２５mm 試樣的Zm卻十分相近.

２．２ 道次間隔時間及變形溫度對流變應力的影響

２．２ Cu(４２０)面衍射峰半高寬、亞晶尺寸和顯微畸變由圖２可知,經不同強度噴丸處理后,試樣的Cu(４２０)面衍射峰的半高寬隨著深度的增加逐漸減小,表面的半高寬最大且相差很小;相同深度的半高寬隨著噴丸強度的增大而增大;經 ０．２０,０．２５ mm強度噴丸處理后,在距離表面約５０μm 的范圍內試樣的Cu(４２０)面衍射峰半高寬相差不大,且均明顯大于噴丸強度為０．１５ mm 的;當深度達到１５０μm 以后,三種噴丸強度下試樣的 Cu(４２０)面衍射峰半高寬均接近于未噴丸試樣的.

衍射峰半高寬可以作為衡量材料表面發(fā)生加工硬化程度的參數(shù)[１０],其和亞晶尺寸D的關系可以用式(１)表示,和顯微畸變ε 的 關 系 可 用 式 (２)表示[１１].

式中:λ 為 Kα 射線波長;β為 Kα 射線的半高寬;θ為Kα 射線的布拉格角.根據(jù)式(１)和(２),計算得到試樣表面亞晶尺寸和顯微畸變沿深度的分布,如圖３所示.由圖３可知,經三種強度噴丸后,試樣的顯微畸變沿深度的增加逐漸減小,其變化趨勢和半高寬的相似,近表層(深度不大于５０μm)的顯微畸變比靠近內部的大得多,約提高了一半,而在同一深度處,噴丸強度越大,顯微畸變越大;亞晶尺寸則隨深度的增加而減小,噴丸后試樣表面的亞晶尺寸比內部的降低了５０％,在同一深度,亞晶尺寸隨噴丸強度的增大而減小;與半高寬和顯微畸變的變化類似,經０．２０mm 和０．２５mm強度噴丸后試樣在近表層的亞晶尺寸十分接近.

２．３ 顯微硬度分布

由圖４可見,經０．１５,０．２０,０．２５mm 強度噴丸后,試樣表面的顯微硬度分別達到了２５５,２８３,２９５HV,

均比未噴丸試樣的(１７０ HV)提高了５０％以上;在相同噴丸強度下,試樣的硬度均隨著深度的增加而逐漸減小,而同一深度下的硬度隨噴丸強度的增加而增加.這和半高寬及計算得到的顯微畸變和亞晶尺寸沿深度的變化趨勢相符,都說明了試樣表層塑性變形程度的變化.由圖２,３得到的加工硬化層的深度約為１６０ mm,由顯微硬度得到的加工硬化層

深度稍大,約為２００mm,這是因為噴丸后試樣的表面顯微硬度還受到了殘余壓應力的影響[１２].

２．４ 表面粗糙度 

由圖５和表２可知,噴丸后試樣原本光滑的表 面出現(xiàn)凹坑和突出,呈現(xiàn)出起伏的山脈狀形貌;噴丸 后試樣的表面粗糙度比未噴丸試樣的明顯增大,且 隨著噴丸強度的增大而增大,當噴丸強度從０．２０mm 增大到０．２５mm 時,試樣表面粗糙度的增加幅度明 顯變大. 

２．６ 分析與討論

噴丸殘余壓應力場的形成主要是赫茲動壓力和材料直接塑性變形相互競爭的結果[１６－１７].當彈丸沖擊鎳鋁青銅表面時,會在表層產生剪切應力τ,且在距表面一定深度處達到最大[１６],而鎳鋁青銅的直接塑性變形從表面至心部逐漸減小[１７].噴丸后在鎳鋁青銅表層形成的微裂紋會導致應力釋放[９].故而當赫茲動壓力為主要影響因素時,σm 傾向于位于淺表層.這也導致了σs 隨噴丸強度增大的幅度很小,僅為５％.設彈丸垂直作用于鎳鋁青銅表面的沖擊力為P,接觸區(qū)半寬為a,由赫茲理論可知[１８]:

式中:τmax為最大剪切應力;Zmax為最大剪切應力深度;k 為常數(shù).由于彈丸硬度遠高于鎳鋁青銅的,因此彈丸的塑性變形可忽略不計,可以視為剛性體.兩者碰撞的能量損失都被鎳鋁青銅吸收用于塑性變形,則 P的大小與鎳鋁青銅表層的塑性變形程度正相關.由圖２和圖３可知,鎳鋁青銅試樣的塑性變形隨噴丸強度的增 大 而 增 大,因 此 噴 丸 強 度 越 大,P 越 大.

彈丸錘擊鎳鋁青銅表面產生的坑痕深度用d 表示,彈丸半徑用r 表示,則:

式中:τmax為最大剪切應力;Zmax為最大剪切應力深度;k 為常數(shù).由于彈丸硬度遠高于鎳鋁青銅的,因此彈丸的塑性變形可忽略不計,可以視為剛性體.兩者碰撞的能量損失都被鎳鋁青銅吸收用于塑性變形,則 P的大小與鎳鋁青銅表層的塑性變形程度正相關.由圖２和圖３可知,鎳鋁青銅試樣的塑性變形隨噴丸強度的增 大 而 增 大,因 此 噴 丸 強 度 越 大,P 越 大.

彈丸錘擊鎳鋁青銅表面產生的坑痕深度用d 表示,彈丸半徑用r 表示,則:

d 近似于鎳鋁青銅表面粗糙度,而彈丸半徑遠大于表面粗糙度,因此,鎳鋁青銅表面越粗糙,a 越大.a 越大,則Zmax越大,而試驗中赫茲動壓力的影響占主導作用,因此Zm 也越大.而表１顯示０．２５mm 噴丸強度下的最大殘余壓應力深度Zm 并沒有顯著增加,這應該是因為鎳鋁青銅受到了加工硬化的影響,

其塑性下降;當噴丸強度過大時,表層產生微裂紋,導致應力釋放.此外,鎳鋁青銅的表面粗糙度明顯上升,減弱了P 增大的效果,導致σm 和Zm 均沒有明顯增大.表層微裂紋和較高的粗糙度屬于表面缺陷,易成為疲勞裂紋源,從而削弱噴丸的強化效果[１９],因此,一 味 提 高 噴 丸 強 度 并 不 是 合 理 的 選 擇.在０．２０mm噴丸強度下噴丸后,鎳鋁青銅的殘余壓應力和加工硬化程度都比０．１５mm 強度下的有明顯提升,而且均接近于０．２５mm 強度下的,但表面粗糙度和表層微裂紋卻明顯較少.因此,選擇０．２０mm 噴丸強度進行噴丸處理更有利于提高鎳鋁青銅的性能.

３ 結 論

(１)噴丸后鎳鋁青銅表面的殘余壓應力明顯高于噴丸前的,且隨著層深的增大,殘余壓應力先增大后逐漸減小;同一深度下,試樣的殘余壓應力隨著噴丸強度的增大而增大,殘余壓應力層深度也增大,但表面殘余壓應力和最大殘余壓應力深度的變化不明顯.

(２)不同強度噴丸處理后,試樣的衍射峰半高寬、顯微畸變和顯微硬度均隨著深度的增加而逐漸減小,亞晶尺寸則逐漸增大,噴丸后試樣的應變硬化程度隨距表面距離的增加逐漸減小;在相同深度下,隨著噴丸強度的增大,試樣的衍射峰半高寬、顯微畸變和顯微硬度逐漸增大,而亞晶尺寸逐漸減小,試樣的應變硬化程度隨噴丸強度的增大而增大.

(３)隨著噴丸強度的增大,試樣的表面粗糙度明顯增大并伴隨有顯微裂紋產生,導致表層應力釋放,使得殘余壓應力增大幅度下降,減弱了噴丸強化效果;０．２０mm 噴丸強度既能有效強化鎳鋁青銅,又不會導致其表面產生明顯的微裂紋,因此是鎳鋁青銅噴丸強化較為合理的選擇.

（文章來源：材料與測試網- 機械工程材料 > 41卷 > 4期 (pp:15-19)）