熊 谛,王立强,徐小严,吕玉廷,吕维洁
(上海交通大学材料科学与工程学院,金属基复合材料国家重点实验室,上海 ２００２４０)
摘 要:采用０．１５,０．２０,０．２５mm 的喷丸强度对铸态镍铝青铜进行了表面喷丸强化处理,对比分析了喷丸前后镍铝青铜表层的残余应力、显微硬度、微观形貌及表面粗糙度,并计算了表层的亚晶尺寸和显微畸变.结果表明:随着喷丸强度的提高,镍铝青铜表面的残余压应力和加工硬化程度都逐渐增大;但喷丸强度过大时,表面粗糙度明显增大并伴随有显微裂纹产生,从而导致表层应力释放,使得残余压应力增大幅度下降,减弱了强化效果.
关键词:镍铝青铜;喷丸;残余应力;显微硬度;表面粗糙度
０ 引 言
镍铝青铜铸件具有较好的力学性能,且抗海水腐蚀性较强,因此常用于制造诸如螺旋桨叶片等海洋装备零部件[１－３].螺旋桨叶片具有大变形截面,表面存在一定的拉应力,在服役过程中长期受到海水冲击浸泡,易造成腐蚀疲劳而产生断裂失效,因此,其抗腐蚀疲劳性能对其寿命影响很大.喷丸是一种工业领域常用的表面强化手段[４].材料经喷丸处理后,其表层发生加工硬化,产生残余压应力场的同时表面形貌发生变化[５],能有效提高材料表面硬度和耐疲劳等性能[６－８].喷丸强度是喷丸处理的主要工艺参数,了解喷丸强度与喷丸处理后材料表层性能之间的关系,对优化喷丸工艺和提高材料性能十分重要.然而国内目前鲜有喷丸对镍铝青铜表面改性作用的研究报道,因此,作者在其他条件相同的情况下,采用三种喷丸强度对镍铝青铜进行喷丸强化,研究了喷丸强度对镍铝青铜表面强化效果的影响.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验材料为镍铝青铜铸锭,尺寸为?１５０mm×２００mm,其化学成分(质量分数/％)为９．５Al,４．２Ni,４．０Fe,１．２Mn,余Cu.在铸锭上截取尺寸为２０mm×１５mm×１０mm的试样,经４００℃×４h去应力退火处理后,用SiC砂纸打磨至２０００＃ ,再用粒径为０．２５μm的金刚石悬浮液对待喷丸表面进行抛光处理.喷丸介质采用 B４０陶瓷弹丸,弹丸平均直径为０．３５ mm,显 微 硬 度 为 ７００ HV.喷 丸 强 度 (A 型Almen标准试片的弧高)分别为０．１５,０．２０,０．２５mm,表面覆盖率均为２００％.
１．２ 试验方法
根据 GB/T７７０４－２００８,采用 ProtoＧLXRD 型X射线应力分析仪测表层残余应力,管电压３０kV,管电流 ２５ mA,X 射线弹性常数 S２/２ 取 １１．７２×１０－６ MPa－１,S１ 取－３．１１×１０－６ MPa－１,准直管直径为２mm;同时检测 Cu(４２０)晶面衍射峰,采用铜靶,Kα 射线,镍滤波片,对应２θ 约为１４４．７°;利用双５１２通道位敏探测器探测 X 射线信号,ψ 角在±４５°内优化设置１７站,采用同倾衍射几何方式.为了得到残余应力沿深度的变化,采用 ProtoＧ８８１８型电解抛光机对试样进行电化学腐蚀剥层,电压为１５V,电流为２A,电解液为饱和 NaCl水溶液,利用数显千分尺测腐蚀深度.
采用 HSVＧ３０P型数显显微维氏硬度仪测表层显微硬度分布,载荷为０．２４５N,加载时间１０s,测五次取平均值.采用 NanonaviEＧSweep型原子力显微镜测表面三维形貌及粗糙度.沿喷丸方向取样,用镶嵌粉热镶,经研磨抛光后采用JSMＧ６４６０型扫描电子显微镜观察试样截面形貌.
图１ 未喷丸和三种强度喷丸后试样的残余应力沿深度的分布
Fig．１ Distributionsofresidualstressalongthedepthofsamples
beforeandaftershotpeeningatthreeshotpeeningintensities
２ 试验结果与讨论
２．１ 残余应力
由图１可知,未喷丸试样表层存在一定的残余压应力,其大小从表面向心部逐渐减小,残余压应力层深１００μm,这是由机械抛光处理造成的[９];不同喷丸强度喷丸处理后,试样表面的残余压应力明显高于未喷丸试样的,且随着深度的增加,残余压应力先增大后减小,在次表层达到最大.为了方便描述,用四个特征参数来分析残余压
应力场:表面残余压应力σs、最大残余压应力σm 、最大残余压应力深度 Zm 、残余压应力场深度 Z.由表１可知,试样的σs 和σm 随着喷丸强度的增大,分别以约５％和８％的幅度增大;Z 以２０％的幅度增大,而喷丸强度为０．２０mm 和０．２５mm 试样的Zm却十分相近.
２．２ 道次间隔时间及变形温度对流变应力的影响
２．２ Cu(４２０)面衍射峰半高宽、亚晶尺寸和显微畸变由图２可知,经不同强度喷丸处理后,试样的Cu(４２０)面衍射峰的半高宽随着深度的增加逐渐减小,表面的半高宽最大且相差很小;相同深度的半高宽随着喷丸强度的增大而增大;经 ０．２０,０．２５ mm强度喷丸处理后,在距离表面约５０μm 的范围内试样的Cu(４２０)面衍射峰半高宽相差不大,且均明显大于喷丸强度为０．１５ mm 的;当深度达到１５０μm 以后,三种喷丸强度下试样的 Cu(４２０)面衍射峰半高宽均接近于未喷丸试样的.
衍射峰半高宽可以作为衡量材料表面发生加工硬化程度的参数[１０],其和亚晶尺寸D的关系可以用式(１)表示,和显微畸变ε 的 关 系 可 用 式 (２)表示[１１].
式中:λ 为 Kα 射线波长;β为 Kα 射线的半高宽;θ为Kα 射线的布拉格角.根据式(１)和(２),计算得到试样表面亚晶尺寸和显微畸变沿深度的分布,如图３所示.由图３可知,经三种强度喷丸后,试样的显微畸变沿深度的增加逐渐减小,其变化趋势和半高宽的相似,近表层(深度不大于５０μm)的显微畸变比靠近内部的大得多,约提高了一半,而在同一深度处,喷丸强度越大,显微畸变越大;亚晶尺寸则随深度的增加而减小,喷丸后试样表面的亚晶尺寸比内部的降低了５０％,在同一深度,亚晶尺寸随喷丸强度的增大而减小;与半高宽和显微畸变的变化类似,经０．２０mm 和０．２５mm强度喷丸后试样在近表层的亚晶尺寸十分接近.
２．３ 显微硬度分布
由图４可见,经０．１５,０．２０,０．２５mm 强度喷丸后,试样表面的显微硬度分别达到了２５５,２８３,２９５HV,
均比未喷丸试样的(１７０ HV)提高了５０％以上;在相同喷丸强度下,试样的硬度均随着深度的增加而逐渐减小,而同一深度下的硬度随喷丸强度的增加而增加.这和半高宽及计算得到的显微畸变和亚晶尺寸沿深度的变化趋势相符,都说明了试样表层塑性变形程度的变化.由图２,３得到的加工硬化层的深度约为１６０ mm,由显微硬度得到的加工硬化层
深度稍大,约为２００mm,这是因为喷丸后试样的表面显微硬度还受到了残余压应力的影响[１２].
２．４ 表面粗糙度
由图５和表２可知,喷丸后试样原本光滑的表 面出现凹坑和突出,呈现出起伏的山脉状形貌;喷丸 后试样的表面粗糙度比未喷丸试样的明显增大,且 随着喷丸强度的增大而增大,当喷丸强度从０．２０mm 增大到０．２５mm 时,试样表面粗糙度的增加幅度明 显变大.
２．６ 分析与讨论
喷丸残余压应力场的形成主要是赫兹动压力和材料直接塑性变形相互竞争的结果[１６－１７].当弹丸冲击镍铝青铜表面时,会在表层产生剪切应力τ,且在距表面一定深度处达到最大[１６],而镍铝青铜的直接塑性变形从表面至心部逐渐减小[１７].喷丸后在镍铝青铜表层形成的微裂纹会导致应力释放[９].故而当赫兹动压力为主要影响因素时,σm 倾向于位于浅表层.这也导致了σs 随喷丸强度增大的幅度很小,仅为５％.设弹丸垂直作用于镍铝青铜表面的冲击力为P,接触区半宽为a,由赫兹理论可知[１８]:
式中:τmax为最大剪切应力;Zmax为最大剪切应力深度;k 为常数.由于弹丸硬度远高于镍铝青铜的,因此弹丸的塑性变形可忽略不计,可以视为刚性体.两者碰撞的能量损失都被镍铝青铜吸收用于塑性变形,则 P的大小与镍铝青铜表层的塑性变形程度正相关.由图２和图３可知,镍铝青铜试样的塑性变形随喷丸强度的增 大 而 增 大,因 此 喷 丸 强 度 越 大,P 越 大.
弹丸锤击镍铝青铜表面产生的坑痕深度用d 表示,弹丸半径用r 表示,则:
式中:τmax为最大剪切应力;Zmax为最大剪切应力深度;k 为常数.由于弹丸硬度远高于镍铝青铜的,因此弹丸的塑性变形可忽略不计,可以视为刚性体.两者碰撞的能量损失都被镍铝青铜吸收用于塑性变形,则 P的大小与镍铝青铜表层的塑性变形程度正相关.由图２和图３可知,镍铝青铜试样的塑性变形随喷丸强度的增 大 而 增 大,因 此 喷 丸 强 度 越 大,P 越 大.
弹丸锤击镍铝青铜表面产生的坑痕深度用d 表示,弹丸半径用r 表示,则:
d 近似于镍铝青铜表面粗糙度,而弹丸半径远大于表面粗糙度,因此,镍铝青铜表面越粗糙,a 越大.a 越大,则Zmax越大,而试验中赫兹动压力的影响占主导作用,因此Zm 也越大.而表１显示０．２５mm 喷丸强度下的最大残余压应力深度Zm 并没有显著增加,这应该是因为镍铝青铜受到了加工硬化的影响,
其塑性下降;当喷丸强度过大时,表层产生微裂纹,导致应力释放.此外,镍铝青铜的表面粗糙度明显上升,减弱了P 增大的效果,导致σm 和Zm 均没有明显增大.表层微裂纹和较高的粗糙度属于表面缺陷,易成为疲劳裂纹源,从而削弱喷丸的强化效果[１９],因此,一 味 提 高 喷 丸 强 度 并 不 是 合 理 的 选 择.在０．２０mm喷丸强度下喷丸后,镍铝青铜的残余压应力和加工硬化程度都比０．１５mm 强度下的有明显提升,而且均接近于０．２５mm 强度下的,但表面粗糙度和表层微裂纹却明显较少.因此,选择０．２０mm 喷丸强度进行喷丸处理更有利于提高镍铝青铜的性能.
３ 结 论
(１)喷丸后镍铝青铜表面的残余压应力明显高于喷丸前的,且随着层深的增大,残余压应力先增大后逐渐减小;同一深度下,试样的残余压应力随着喷丸强度的增大而增大,残余压应力层深度也增大,但表面残余压应力和最大残余压应力深度的变化不明显.
(２)不同强度喷丸处理后,试样的衍射峰半高宽、显微畸变和显微硬度均随着深度的增加而逐渐减小,亚晶尺寸则逐渐增大,喷丸后试样的应变硬化程度随距表面距离的增加逐渐减小;在相同深度下,随着喷丸强度的增大,试样的衍射峰半高宽、显微畸变和显微硬度逐渐增大,而亚晶尺寸逐渐减小,试样的应变硬化程度随喷丸强度的增大而增大.
(３)随着喷丸强度的增大,试样的表面粗糙度明显增大并伴随有显微裂纹产生,导致表层应力释放,使得残余压应力增大幅度下降,减弱了喷丸强化效果;０．２０mm 喷丸强度既能有效强化镍铝青铜,又不会导致其表面产生明显的微裂纹,因此是镍铝青铜喷丸强化较为合理的选择.