高強度噴丸對300M鋼抗疲勞性能的影響

盧國鑫，陸 峰

（北京航空材料研究院，北京100095）

0 引 言

300M鋼是一種低合金超高強度鋼，具有強度高、韌性良好、疲勞性能優良、抗應力腐蝕性能好等優點，是飛機起落架主要用鋼之一［1］。隨著飛機技術的進步，對飛機起落架等主承力構件壽命及可靠性等方面的要求越來越高［2］。

金屬材料的疲勞破壞和應力腐蝕破壞絕大部分起源于表面或近表面層，這是由試件或零件表面具有的獨特狀況而決定的。噴丸強化是工業上常用的提高材料抗疲勞性能的表面改性技術［3］，可在一定程度上改變材料的表面狀況，研究噴丸強化對表面粗糙度、顯微硬度、表面殘余壓應力等表征材料表面完整性參量的影響具有重要意義。為提高300M鋼疲勞壽命，通常對300M鋼表面進行噴丸強化，引入一定深度的殘余壓應力場，并使其顯微組織發生轉變［4-5］。根據 HB/Z 26-2007要求，對抗拉強度不小于1 400MPa的鋼零件，其噴丸強度（用標準弧高度試片A測定）一般不大于0.35mm，在該噴丸強度下鋼零件一般能獲得較優的強化效果，疲勞性能也能較大幅度提高。但目前關于高強度噴丸（大于0.35mm）對300M鋼強化效果的研究還鮮見報道。為此，作者選取2種高強度的噴丸工藝對300M鋼進行了噴丸處理，對噴丸處理后300M鋼的表面形貌、顯微組織、疲勞性能等進行檢測和分析，研究高強度噴丸對300M鋼抗疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用300M鋼采用真空感應-真空自耗方法冶煉生產，熱處理工藝為870℃保溫30min，油冷，再300℃低溫回火2h（兩次），室溫組織為回火馬氏體＋殘余奧氏體，主要化學成分與力學性能見表1，2。將試驗鋼制備成10mm×10mm×20mm長方體試樣，噴丸面面積為10mm×10mm。

噴丸強化在氣動式噴丸機上進行，選取直徑為0.6mm的S230鋼丸，噴丸流量為8kg·min-1，通過改變噴丸壓力來控制噴丸強度，具體參數見表3，噴嘴與試樣距離為70cm。

表1 300M鋼的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 300M steel（mass） %

表2 300M鋼的力學性能Tab.2 Mechanical properties of 300M steel

表3 高強度噴丸工藝參數Tab.3 Parameters of high intensity shot peening process

1.2 試驗方法

采用FEI QUANTA 600型掃描電子顯微鏡和MicroXAM型白光干涉形貌儀觀察不同噴丸強度噴丸處理后試樣的表面形貌；用HV-1000型顯微硬度儀測噴丸面側面一定深度內顯微硬度分布，載荷4.9N，保持時間10s；利用X射線衍射結合電解腐蝕剝層的方法測噴丸面一定深度內的殘余應力場分布，應力測試在X STRESS 3000型殘余應力儀上進行，測試參數為：鉻靶Kα射線，衍射晶面（211），交相關定峰法，準直管直徑為3mm，管電流7mA，管電壓30kV；對未噴丸處理及噴丸處理后的300M鋼疲勞試棒（φ6mm，應力集中系數Kt＝1）進行旋轉彎曲疲勞試驗，應力水平±750MPa（R＝-1），結果取3個試樣平均值；疲勞斷口在FEI QUANTA 600型掃描電鏡上觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 表面形貌

噴丸處理會引起表面粗糙度增大，工藝不當甚至出現表面開裂、脫層等表面損傷，破壞金屬材料的表面完整性，降低其抗疲勞性能。從圖1可見，未經噴丸處理的原始300M鋼試樣表面存在明顯的切削刀痕，而經過高強度噴丸處理后，試樣噴丸表面被彈坑完全覆蓋，切削刀痕已不明顯，說明噴丸試樣表面覆蓋率已達到100%。

圖1 不同噴丸強度噴丸后試樣噴丸表面的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of the shot peening surface of samples after shot peening in different intensities

從圖2可見，經噴丸處理后，試樣縱向切削刀痕已被完全撫平，產生均勻分布的較大深度的彈坑。從圖3可知，未進行噴丸處理的原始試樣與噴丸強度分別為0.424，0.576mm時試樣的表面粗糙度分別為0.68，2.28，2.58μm。經過高強度噴丸處理后，試樣噴丸面起伏波形中波峰波谷處曲率半徑增大，緩解了原始刀痕尖銳程度會減小試樣在服役過程中由原始切削刀痕發生的應力集中現象。噴丸后試樣表面形貌的特點是連續相鄰的缺口，根據Neuber提出的拉伸載荷作用下表面應力集中系數的半經驗公式［6］，如式（1）所示，可得到噴丸處理后表面形貌變化對材料理論應力集中系數Kt的影響規律。

式中：Rz為微觀不平度高度，是表面粗糙度參數之一；ρ為缺口底部的曲率半徑；λ為不平度間距與高度之比的相關系數，機械加工表面通常取1［7］。

圖2 不同噴丸強度噴丸后試樣噴丸表面的三維形貌Fig.2 3Dmorphology of the shot peening surface of samples after shot peening in different intensities

圖3 不同噴丸強度噴丸后試樣表面的輪廓曲線Fig.3 Surface fluctuation of samples after shot peening in different intensities

由于噴丸處理中選取的彈丸尺寸不變，噴丸面彈坑曲率半徑認為大致相同，ρ＝0.6mm，此時影響應力集中系數的主要因素就只有Rz。高強度噴丸處理產生的Rz過高，導致試樣表面的Kt增大，使試樣表面發生較嚴重的塑性變形，噴丸面發生“應變硬化”，顯著降低了材料塑性和韌性，會使其在服役前或服役中產生微裂紋，并加速裂紋的擴展。

2.2 殘余應力場分布

圖4 不同噴丸強度噴丸后試樣殘余應力沿深度方向的分布Fig.4 Residual stress distribution along the deepness in samples after shot peening in different intensities

噴丸處理后，試樣表面層形成一定程度的殘余壓應力場，可有效阻止疲勞裂紋萌生和降低擴展速率［8］，使材料抗疲勞性能提高。由圖4可見，由于機械加工的影響，原始試樣表面引入了較小深度的殘余壓應力場；高強度噴丸處理后，試樣表面層形成較高的殘余壓應力場，具體特征參數見表4。由表可知，經過高強度噴丸處理后，表征噴丸后試樣殘余壓應力場的4個特征參數均隨噴丸強度的提高而增大。一般來講，噴丸形成較高的殘余壓應力和較深的噴丸強化層能提高材料的表面疲勞極限，從而增強材料的抗疲勞性能。

表4 不同噴丸強度噴丸后試樣表面層殘余壓應力場特征參數Tab.4 Characteristic parameters of surface residual compressive stress field in samples after shot peening in different intensities

2.3 顯微硬度分布

噴丸強化處理是試樣表面經受循環載荷作用并不斷發生循環塑性變形的過程，近年來有學者提出噴丸強化的顯微組織結構強化機制［4］，證實了噴丸引起的材料強、硬度升高有利于材料抗疲勞性能的提高。從圖5可見，原始試樣顯微硬度大致為590HV，經過0.424，0.576mm 高強度噴丸處理后，試樣表面顯微硬度分別達到620，640HV。噴丸處理使300M鋼試樣基體位錯密度升高，位錯增殖阻礙了材料進一步發生塑性變形，產生一定的應變硬化。應變硬化程度隨噴丸強度提高而增大。

圖5 不同噴丸強度噴丸后試樣顯微硬度沿深度方向的分布Fig.5 Microhardness distribution along the deepness in samples after shot peening in different intensities

2.4 抗疲勞性能

噴丸強化主要通過改變材料表層粗糙度、表層顯微組織以及引入殘余壓應力場等來影響材料的耐磨性和抗疲勞性能。文獻［9］通過試驗得到中強度噴丸可使300M鋼疲勞壽命獲得成倍的提高。試驗得到表面未噴丸強化300M鋼試樣在±750MPa應力水平下的疲勞壽命為3.6×104周次，經0.424，0.576mm高強度噴丸后，其疲勞壽命分別達到4.58×104，5.31×104周次，比噴丸強化前分別提高27%，48%，提高幅度均相對較小。

圖6 不同噴丸強度噴丸后試樣的疲勞斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fatigue fracture of samples after shot peening in different intensities

從圖6可見，噴丸強化后斷口為典型的疲勞斷口，較為平坦，表面為深灰色；疲勞區面積較大，疲勞裂紋全部萌生在表面，均出現多個裂紋源；裂紋在擴展過程中因前沿的阻力不同導致擴展方向上的偏離，不同的斷裂面相交而形成疲勞臺階、河流花樣；在旋轉彎曲載荷作用下，斷口瞬斷區均位于試樣內部。裂紋萌生具有強烈的擇優性，群體行為明顯。在疲勞過程中雖然平均應力沒有超過材料的屈服強度，但由于應力集中導致局部應力已超過了材料的屈服強度，在交變應力作用下最終會產生疲勞裂紋。

噴丸強化通過在金屬表層引入殘余壓應力場和組織變化來提高材料的疲勞壽命。一般來講，經適當的噴丸工藝處理后，金屬表層引入一定深度的殘余壓應力且表面粗糙度不高，金屬材料的疲勞裂紋一般起始于亞表面，噴丸后材料的疲勞壽命往往都有顯著提高［10］。300M鋼經過高強度噴丸處理后，獲得了較高的殘余壓應力場和表面顯微硬度，同時試樣的表面粗糙度也較高，致使其應力集中系數較大，名義應力高，疲勞源的數目增多且萌生于試樣表面，材料表面較高的表面粗糙度是試樣的疲勞壽命在較大殘余壓應力狀態沒有明顯提高的主要原因。

3 結 論

（1）300M鋼經高強度噴丸處理后，試樣表面完整性參數發生明顯變化，表面完全被彈坑覆蓋，表面粗糙度顯著提高。

（2）300M鋼經高強度噴丸處理后，試樣表層形成較高的殘余壓應力場，表面顯微硬度提高。

（3）300M鋼經高強度噴丸處理后，疲勞壽命有小幅度提高，較高的表面粗糙度造成的應力集中以及微裂紋的產生是其疲勞壽命沒有明顯提高的主要原因。

［1］張慧萍，王崇勛，杜煦.飛機起落架用300M超高強鋼發展及研究現狀［J］.哈爾濱理工大學學報，2012，16（6）：73-76.

［2］劉天琦.飛機起落架用材發展［C］//大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會2007年學術年會論文集.深圳：中國工程院機械與運載工程學部，2007：1953-1958.

［3］高玉魁.噴丸強化對DD6單晶高溫合金高溫旋轉彎曲疲勞性能的影響［J］.金屬熱處理，2009（8）：60-61.

［4］王仁智.金屬材料的噴丸強化原理及其強化機理綜述［J］.中國表面工程，2012.25（6）：1-9.

［5］須慶，姜傳海，陳艷華.DD3鎳基單晶高溫合金噴丸強化后殘余應力的有限元模擬［J］.機械工程材料，2012，36（4）：80-83.

［6］NEUBER H.Theory of notch stresses［M］.Berlin，Germany：Springerverlag，1958：204.

［7］AROLA C，WILLAMS L.Estimating the fatigue stress concentration of machined surface［J］.International Journal of Fatigue，2002，24：923-930

［8］高玉魁.噴丸對Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金拉拉疲勞性能的影響［J］.中國有色金屬學報，2004，14（1）：60-63.

［9］李瑞鴻，劉道新，張煒，等.噴丸強化與表面完整性對300M 鋼疲勞性能的影響［J］.機械科學與技術，2011，30（9）：1418-1423.

［10］王仁智，姚枚.疲勞裂紋萌生的微細觀過程與內部疲勞極限理論［J］.金屬熱處理學報，1995，16（4）：26-34.