316L不銹鋼表面納米化殘余應力對材料強度影響

程國鋒 鐘蜀暉 車正偉

0 引言

通過對316L不銹鋼表面納米化處理,改善其表面層組織結構,從而提高材料的力學性能。然而在316L不銹鋼表面納米化處理后,內部存在殘余應力,這種殘余應力影響金屬材料的性能。本文就經過納米化處理和未經過納米化處理的316L不銹鋼進行殘余應力的測試,并對結果進行對比、分析。

1 實驗材料與方法

目前對材料進行納米化的處理方法有三種,分別為表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法,在這三種納米化處理方法中只有表面自身納米化處理方法,既可解決納米晶體層與基體之間結合的問題,又可以利用傳統的表面加工技術得以廣泛的推廣。在本文利用的材料是經16 min超聲噴丸表面納米化處理的316L不銹鋼板。

為了測試316L不銹鋼納米化處理后殘余應力對材料性能的影響,實驗中采用了2組試件,試件的尺寸如圖1所示。試件的厚度均為1 mm,材料均為316L不銹鋼,兩組試件分別為:

1)未經處理的316L不銹鋼試件;2)經超聲噴丸處理16 min,試件表面形成納米晶組織的316L不銹鋼試件;殘余應力測試實驗均在X-350A型應力測定儀上進行,實驗的目的是比較同種原材料在經過納米化處理后殘余應力的改變,進而判斷經納米化處理后材料性能的改變。

材料的化學成分和常規性能見表1,表2。

2 殘余應力測試

表1 實驗用316L不銹鋼化學成分 %

表2 實驗用316L不銹鋼常規性能表

2.1 測試方法的確定

經噴丸表面納米化處理的316L不銹鋼,材料在外荷載重復作用下,表面的粗晶組織通過不同的方式產生強烈的塑性變形直至細化至納米量級,這種塑性變形將產生大量的缺陷,如位錯、孿晶、層錯和剪切帶,在材料表面產生梯度性的殘余應力。本文就是研究殘余應力沿深度的分部。

試驗中采用X-350A型應力測定儀對試件的殘余應力進行測試,由于在試驗中需要對材料沿不同深度的殘余應力進行測量,而X-350A型應力測定儀的X射線對鋼材的穿透能力在10μ m左右,故采用逐層剝層法對不同深度的殘余應力進行測量。

2.2 X-350A型應力測定儀測試參數的確定

測試參數的選取見表3。

表3 測試參數的選取

2.3 測試結果

在檢測試件上取3個點(如圖2所示),采用金相試樣預磨機對試件進行逐層打磨,逐層測試表面的殘余應力(見表4,表5)。

表4 表面納米化試件的試驗殘余應力數據

3 殘余應力的修正

本實驗是沿著板厚度方向逐層剝離金屬表層,然后測試出露表面的殘余應力,但是在剝離過程中部分殘余應力被釋放,導致被測試區域內的殘余應力重新分布,通過實驗測得的殘余應力不等于該點被剝離前的真實殘余應力,因此需要對釋放應力所造成的影響通過彈性理論加以修正。

表5 表面未納米化試件的試驗殘余應力數據

3.1 基本假定

1)殘余應力沿板的中面對稱分布,且平行于板的中面;2)殘余應力分布僅隨板的厚度而變化,而在平行板的中面的任一平面內是均勻分布的;3)平行于板的中面的任一平面,在剝除前后保持不變。

3.2 修正公式推導

根據彈性力學假設,在測試板中定點處的殘余應力,可把板當作無限大的板來處理。

現從板的下表面單剝除,設剝除到深度z處,該處的原來應力為δx(z),δy(z),而在該處剝離出露的表面實際應力為δ′x(z),δ′y(z)。在這個剝離過程中釋放的殘余應力為Δδx(z),Δδy(z),從彈性力學得到:

由于剝離是單側進行的,因此將產生附加的彎矩如圖3所示,不難看出:

將以上兩式結合可得:

其中,σ′x(z)和σ′y(z)為剝離層至板厚z處X射線法測得的相互垂直的兩個殘余應力分量;σx(z)和σy(z)為校正后板厚z處的兩個殘余分量;σ′x(ξ)dξ和σ′y(ξ)dξ分別為表面至板厚 z 處X射線法測得的 x和y方向的殘余應力沿厚度方向的分布;h為板總厚度;ξ為積分變量。

3.3 納米化后試件修正結果

對以上測得的數據修正,得到以下的修正結果(見表6,表7)。

4 對殘余應力測試結果的分析

殘余應力可以看作是附加在試件上的外荷載。試件中存在殘余拉應力,相當于在材料上預先添加了部分荷載,這就降低了材料的極限強度。試件中存在殘余壓應力,相當于在材料上添加了預應力,當添加荷載時,殘余壓應力和荷載產生抵消,從而提高了材料的極限強度。

表6 經納米化處理的試件

表7 未經納米化處理的試件

對實驗數據分析發現經納米化表面處理的試件表面產生殘余壓應力,并且從表面到中心逐漸遞減,直至中心區域才產生殘余拉應力;而沒有經過納米化處理的試件從表面至中心均呈現殘余拉應力。這說明經納米化處理,表面經超聲噴丸的連續撞擊,晶粒組織發生了塑性變形,導致表面層晶粒位錯密度增高,繼而產生位錯運動、湮滅、重排形成小角度晶界,從而在大晶粒內部形成亞晶粒,隨著噴丸繼續進行亞晶粒之間取向隨機的細小晶粒,細化了晶粒密度,增強了晶粒間的結合力,在材料中產生了殘余壓應力,改變了材料的力學性能,提高了材料的強度。

5 結語

超聲噴丸納米化處理方法是一種歪高材料強度性能的可行處理措施,其處理方法細化了材料表面層的晶粒,改變了材料晶粒的組織結構形式,材料體內產生了殘余壓應力,提高了材料的強度,發揮了材料的潛能。

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