喷丸强化对纯钛马氏体疲劳性能的影响.pdf

第5 3 卷第3 期 2 0 01 年8 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V o l5 3 ．N O3 A u g u s t 2 00 1 喷丸强化对纯钛马氏体疲劳性能的影响 张建斌1 ，马勤1 ，季根顺1 ，王翠霞1 ，王静宜2 1 甘肃工业大学材料科学与工程学院，兰州 7 3 0 0 5 0 2 ．西安工业学院材料科学与工程系，西安7 10 0 3 2 摘要对六方盒属纯钍马氏体进行喷丸强化，观察强化层疲劳前后显徽组织结构和硅余应力的变化，测定强化层内的显徽 硬度。试验结果表明喷丸强化层组织中有高密度位错、变形李晶和变形带产生．变形孪晶交织成栅栏结构；显徽硬度显著提高； 硅余压应力在丧劳加载中部分橙驰。并依上述分析对咬丸提高疲劳强度的机理进行解释。 关键词马氏体；显截组织；变形带；显微硬度；残余应力 中围分类号T G l 7 ；T G l 4 62 3文献标识码A 文章编号t 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 1 【 0 3 0 0 4 0 0 3 在表面强化技术中，作为机械方式的强化方法， 主要是喷丸和滚压。大量的实验数据和工业应用表 明【1 。5 1 ，喷丸，滚压等表面机械强化引起粗糙度、表 面组织及残余应力的变化，这对于改善材料的表面 性能，提高零件表面的耐磨性，抗疲劳性，延长其使 用寿命等具有重要意义。而喷丸强化技术，因其简 便易行、低投入高产出、立竿见影的特点，在工业和 实际工程中得到广泛的应用【6J 。 在前期对纯钛退火态喷丸和滚压表面机械强化 研究“。’的基础上，分析了喷丸强化三因素 组织 结构、应力状态和表面粗糙度 对六方金属纯钛马氏 体疲劳性能的影响。 1 实验方法 试验用工业纯钛为厚度1 0 r a m 的退火板T A 2 西北有色金属研究院提供 ，线切割加工成尺寸为 1 0 m m 2 0 m m l O O m m 的条形试样。试样化学成 分为 ％ F e0 ．1 l ，0 20 ．1 2 ，H 20 ．0 0 1 ，C0 ．0 1 ，N 2 0 ．0 2 ，S i 0 ．0 4 。条形试样在9 1 0 ℃加热保温 l O m i n ，油淬，获得淬火n7 马氏体，其光学形态 O M 是针状组织，在电子显微镜 S E M 和T E M 下为板 条状，亚结构中位错密度较高，没有相变孪晶出现。 喷丸工艺参数铸钢丸直径0 ．3 m m ，喷距 1 0 0 r a m ．气压0 ．4 M P a ，喷丸强度0 ．1 9 m m A ，覆概率 2 0 0 ％。三点弯曲条件疲劳强度 R 0 ．1 ，1 0 6 周 基金项目国家自然科学基金贷助项目 5 9 5 7 1 0 2 5 收稿日期2 0 0 1 0 6 1 0 作者简介张建斌 1 9 7 2 一 ，男，讲师，硕士B r r l 日i 【z h - j b 2 6 3t i e r 次 在A m s l e r 一5 1 0 0 疲劳试验机上测定。显微硬度 测定用N e o p h o t 。3 0 型金相显微镜；T E M 样品薄膜 在加速电压为1 6 0 k V 的J E M 一2 0 0 C X 型透射电镜上 观察。残余应力测定用D ／m a x ．Ⅲ型x 射线衍射 仪，剥层用1 0 ％H F 5 ％H N 0 3 8 5 ％H 2 0 ，其中疲 劳后试样测量最大拉应力处的残余应力。 2实验结果 2 ．1 喷丸对显微硬度分布的影响 图1 为T A 2 喷丸强化区沿层深方向的显微硬 度分布测定结果。可见，在T A 2 试样喷丸表面层约 小于3 0 “ m 深度内产生明显的硬化效果。这是由于 喷丸过程是将大量高速运动的弹丸喷射到零件表面 上，使表层材料产生较大的塑性变形，结果形成一定 层深的硬化层。 罢 残 衄 圈1 喷丸强化层显微硬度．层深分布曲线 F i g1M i c r o h a r d n e s sv sd e p t h sc u n r 目 2 ．2 喷丸改善疲劳强度的机理 六方金属T A 2 纯钛马氏体的疲劳强度为 4 2 0 M P a ，经喷丸处理的试样疲劳强度为4 9 0 M P a ． 约提高1 6 ．7 ％。疲劳强度的这种变化可归于喷丸 三因素组织结构、应力状态和表面粗糙度对疲劳强 度的不同贡献。 万方数据 f - ㈣⋯* ￡． L 】㈣P 【c 女B 口“目自m 。⋯【{ 女J n ∞ 目3 日A ％n 目∞⋯％H c j R r ”“1 n 1L } rw m lH 1 1 1 1 1 1 H ⋯L ⋯1 u “H oL w ⋯m 【1 ‘【‘c c l ，， “””““。裂“篇i 舞嬲篇嘉嚣 墨“”“⋯“‘ 纛㈣嚣筹嚣誉淼鬻嚣飘蒸黧蕊 黎薰蒸辫薰嚣竖～ 万方数据 4 2有色金属第5 3 卷 3 分析与讨论 喷丸是一循环塑性变形过程，由于晶体结构不 同，喷丸强化表层组织结构也产生差异。在立方合 金不锈钢中主要是各种类型的位错组态和变形带结 构”】，而在六方金属中则是高密度位错、变形孪晶 和变形带结构C 4 _ 5J 。虽然孪生是金属中的一种基 本塑性变形方式，在六方结构金属低温塑性变形中 起着重要作用，但是孪生对塑性变形量的贡献非常 有限，它主要是通过改变晶体位向，激发新的滑移来 完成塑性变形。 喷丸强化层高密度位错的来源是由于金属表层 经受了激烈的塑性变形过程，使位错滑移并大量增 殖，结果表层马氏体基体内部的位错密度急剧增加。 变形孪晶的产生可以看成两个过程孪晶核胚的形 成和孪晶的长大。金属强化表层首先发生滑移，产 生高密度位错塞积，为孪晶核胚的萌生提供条件，一 部分晶粒来不及滑移变形，从而在晶界或位错塞积 处发生孪生变形，释放局部应力集中，而孪生变形所 形成的孪晶界又起细化基体组织的作用。图3 a 中， 标明A 、B 、C 的三个马氏体条内的位错组态清楚地 表明滑移位错和孪生切变之间的关系，三个条状马 氏体中均有高密度位错，A 中组态完全为位错塞积； B 中是在位错塞积处形成细小的变形孪晶 箭头所 指 ；c 中则已经形成平行排列的粗大变形孪晶。喷 丸过程需要持续一定的时间，因此，六方金属不同时 期形成的变形孪晶之间的作用易于形成孪晶栅栏结 构，而这种结构又能有效地阻止疲劳裂纹的早期萌 生。 在喷丸强化组织中极易出现变形带”o ，“。本 试验中的变形带组织同M o s k a l e n k o 等”1 在拉伸退 火a T i 等轴晶粒中观察到的重取向带 R e o r i e n t a t i o nb a n d s 相似，它是由平行于c 轴的、符号相反的 刃型位错组成的交变区域。 残余压应力能显著延缓裂纹扩展，对推迟裂纹 萌生也有一定的影响。但是，对疲劳性能的提高起 着重要作用的是在工作应力下经衰减后实际存在的 残余应力，而不是喷丸所获得的原始残余应力值。 因此，试验条件下可以说残余应力对疲劳强度提高 的贡献大大降低；喷丸提高了试样表面粗糙度，加速 裂纹萌生，降低疲劳强度。 可见在喷丸三因素中，疲劳强度提高的主要因 素是组织结构，这是由于组织中高密度位错或孪晶 栅栏结构能延缓裂纹萌生，变形孪晶穿越马氏体也 在一定程度上分割细化基体材料组织。 4 结论 1 喷丸强化可使纯钛马氏体的疲劳强度提高 约1 6 ．7 ％。 2 喷丸强化表面层具有较高的表面粗糙度和 初始表面残余压应力，残余压应力在疲劳加载中部 分松弛。 3 近表面强化层组织中形成的高密度位错和 大量变形孪晶是疲劳强度提高的主要因素。 参考文献 [ 1 ] W a g n e r L ．M e c h a n i c a ls u r f a c e t r e a t m e n t so i l t i t a n i u m ，a l u m i n u ma n d m a g n e s i u ma l l o y s [ J ] ．M a t e rS c i E n g ，1 9 9 9 ，A 2 6 3 2 1 0 [ 2 ] A l i e n b e r g e rI ，S c h o h e sB ．M a r t i nU ．c ta lC y c l i cd e f o r m a t i o na n dn e “s u r f a c em i c m s t r u e t u r e so fs h o tp e e n e do rd e e pr d l e d a “s t e r f i t i cs t a i n l e s ss t e e lA I S I3 0 4 [ J ] ，M a t e rS c lE n g ，1 9 9 9 ，A 2 6 4 1 13 ] S r i d h a rBR ．R a n m c h a n d a rK ，P a d m a n a b h a nKA ．E f f e c to fs h o tp e e n i n go nt h ef a t i g u ea n df r a c t u r eb e h a v i o ro ft w ot i t a n i u ma l - l o y s [ J ] JM e t a l lS c i ，1 9 9 6 ，3 1 5 9 5 3 4 ] 张建斌，马勤，樊丁，等工业纯钛喷丸强化研究[ J ] 稀有金属材料与工程．2 0 0 1 ．待发表 5 ] 张建斌，马勤，周琦，等表面强化对工业纯钛显微组织的影响【J ] ．中国有色金属学报．已录用 6 ] 徐滨士．韩文政．姜厚温．立竿见影的喷丸强化技术[ J ] ．中国表面工程，2 0 0 0 ，1 3 3 4 6 7 ] M c Y s k a l e n k oVA ．S m i m o vA RT e m p e r a t u r ee f f e c to nf o r m a t i o no fr e o r i e n t a t i o nb a n d si na - T i [ J ] ，M a l e rS c iE n g ，1 9 9 8 ，A 2 4 6 2 8 2 万方数据 第3 期张建斌等喷丸强化对纯钛马氏体疲劳性能的影响 I N F L U E N C Eo FS H o TP E E N I N GO NF A T I G U EP R o P E R T Y O FP U R ET I T A N I U MW I T HM A R T E N S I T I CM I C R o S T R U C r U R E Z H Ⅲ q GJ i ⋯b i1 ，M A Q i n l ，J lG e ”s h u n l ，W A N GC u i x i a l ，W A N GJ i n g y i 2 1C o l m o f M a t e r i a l s ＆E n 9 2 n e e d n g ．G 口”s NU n i w r n t yo f T e c h n o l o K v ．L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ．C k i n a 2D e p a r t m e n t o f M m r m l s ＆E n g i M e r m g ．X i a n i n s t i t u t eo f T ∞h m d o g y ．Ⅺd n7 1 0 0 3 2 ，C hr n a A B S T R A C T P u r et i t a n i u mw i t ham a r t e n s i t i cm i c r o s t r u c t u r ei sp r o c e s s e db ys h o tp e e n i n g ．T h en e a rs u r f a c er e g i o n si s c h a r a c t e r i z e db yt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y T E M ，X r a yd i f f r a c t i o na n dm i c r o h a r d n e s s m e a s u r e m e n t s ．T h ei n v e s t i g a t i o n sr e v e a l e dt h a tt h e r ea r eh i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o n s ，d e f o r m a t i o nt w i n sa n dd e f o r m a t i o n b a n d si nt h es t r e n g t h e n e ds u r f a c el a y e r s ，a n dt w i n t w i ni n t e r w e a v er e s u l t i n go ft w i np a l i n ge f f e c l s ．E n h a n c e m e n t o fm i c r o h a r d n e s si so b t a i n e d ．H i g hc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s sO c c u r s ，a n dt h e np a r t i a l l yr e l a x e su n d e rf a t i g u e l o a d i n g ．T h em e c h a n i s m so ft h ee n h a n c e m e n to ff a t i g u es t r e n g t ha r ee x p l a i n e db yt h ef a c t o r sa b o v em e n t i o n e d K E yW O R D S s h o tp e e n i n g ；m a r t e n s i t e ；m i c r o s t r u c t u r e ；d e f o r m a t i o nb a n d ；m i c r o h a r d n e s s ，r e s i d u a ls t r e s s 上接第3 9 页C o n t i n u e df r o mP3 9 碳纤维增强T i C 陶瓷的力学性能 束桂明12 ．周玉2 1 ．中国地震局工程力学研究所，哈尔滨1 5 0 0 8 0 ；2 哈尔淀工业大学材料学院，哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要在2 1 0 0 ℃，3 0 M P a 压力下．真空烧结1 h 制备r 碳纤维体积百分数为2 0 ％的T i C 陶瓷基复合材料。烧结温度的研究结果 表明对于T i C 复合材料而言，2 1 0 0 t 2 是比较合适的挠结掘度。体积百分数2 0 ％碳纤维的加 ，不但显著提高了n c 冉瓷的室温 强度和断裂韧性，而且显著提高了其高温强度。复台材料的强韧化机理是纤维的桥联、拔出和裂纹伯转。 关键词T i C 陶瓷；碳纤维；热压烧结；力学性能 中国分类号T B 3 3 2 ；T B 3 0 3 文献标识鹊A 文章编号t 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 1 0 3 0 0 3 5 0 5 收稿日期2 0 0 1 62 6 作者简介宋桂明 1 9 6 7 一 ．男，讲师．博士后 万方数据