沖擊強化對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響

高玉魁

（同濟大學 航空航天與力學學院，上海 200092）

304奧氏體不銹鋼是國內外廣泛應用的一種不銹鋼，在航空航天、石油化工、核電能源等工業領域都有很大應用。304奧氏體不銹鋼屬于亞穩態的不銹鋼，在沖擊形變作用下可發生馬氏體轉變，即形變誘發相變，使材料的性能發生變化［1］。

材料與構件的失效多發生于表面，而且腐蝕、摩擦與疲勞等性能都與表面密切相關。為了提高材料與構件的使用性能，尤其是構件的耐久性、輕質性、可靠性、經濟性和安全性，常常在工程上采用表面強化來提高構件的使用壽命、減輕結構質量、提高可靠系數和增加安全裕度［2－6］。噴丸強化由于實用性強、適用面廣、操作簡便而成為工業上常用的表面強化工藝技術，被國內外廣泛用來改善構件的使用性能。近年來納米組織結構成為了新型材料的研究熱點之一，而表面機械研磨是一種利用高速運動的彈丸來沖擊金屬表層實現納米組織結構的成熟制備技術［7－10］。研究沖擊強化處理對組織結構與力學性能的影響，以獲得形變組織結構與力學性能之間的關系，這不僅對于理解沖擊強化機理非常重要，而且在工程應用上也有重要意義。

本工作采用304奧氏體不銹鋼作為研究對象，通過噴丸強化和表面機械研磨來進行沖擊強化，以改變表層的組織結構和改善材料的整體力學性能，為進一步發揮材料的強度、塑性及韌性進行理論創新和工程應用的基礎探索研究。

1 實驗

實驗材料為304奧氏體不銹鋼，化學成分（質量分數／%，下同）為18.2Cr，9.1Ni，0.45Ti，0.52Mn，0.75Si，0.06C，0.05S，0.03P 和 70.5Fe。在1050℃下進行1h的真空固溶處理，隨后液氮冷卻。原始狀態即為奧氏體固溶處理，標記為A。

對部分試樣進行噴丸強化和機械研磨處理。噴丸強化在氣動式設備上進行，所用彈丸為S330鑄鋼丸，噴丸強度為0.30A，表面覆蓋率為200%。機械研磨采用直徑為10mm的GCr15鋼球，研磨時間為30min。

拉伸試樣的厚度為1mm，其尺寸和形狀如圖1所示。拉伸實驗在室溫下Instron拉伸試驗機上完成，應變加載速率為0.1mm／min。

采用X射線衍射測定試樣的殘余應力，研究沖擊引入的殘余應力特征和規律；對試樣進行XRD相結構、金相和TEM觀察分析，研究沖擊形變組織特征，建立沖擊形變組織與性能之間的關系。

2 實驗結果

噴丸和機械研磨處理對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響如圖2所示。噴丸使屈服強度和抗拉強度分別從277MPa和797MPa提高到了293MPa和807MPa，提高幅度很小，但卻使塑性伸長率從40%降低到了31%。SMAT處理試樣的屈服強度和抗拉強度分別為770MPa和973MPa，塑性伸長率為38%。

材料的性能由材料的組織結構所確定，而組織結構又受形變條件的影響，尤其是對于304奧氏體不銹鋼材料來說，由于其是亞穩態材料，因此其組織結構是解讀性能的鑰匙和關鍵。

圖2 噴丸與表面機械研磨對304奧氏體不銹鋼拉伸性能的影響Fig.2 Effects of SP and SMAT on tensile properties of 304austenite stainless steel

原始組織，噴丸組織和機械研磨組織的光學金相顯微組織分析如圖3所示?？梢钥闯觯倘芡嘶鹪嚇拥慕M織為奧氏體，晶粒直徑約為160μm（圖3（a））；噴丸使退火試樣的表層發生塑性變形，并誘發馬氏體轉變，XRD相結構分析與奧氏體含量分析結果表明，噴丸雖然使奧氏體含量由原來的94%變為88%，但還是以奧氏體為主，從金相上也可以看出原來的奧氏體組織和晶粒，見圖3（b）中白色的大晶粒，變形層深度約為240μm，劇烈變形層深度約為2～5μm；SMAT使奧氏體含量由原來的94%變為62%，試樣整體都有延展變形特征，并在表層形成厚約10～50μm的劇烈變形帶（內含10～15μm的納米組織層）。軋制后試樣的延展變形特征更明顯，而且奧氏體含量由原來的94%變為38%；噴丸和SMAT后試樣的表面除了變形集中在表層外，整體的變形不大，只是表層有些變形帶，噴丸后表面奧氏體含量為32%，SMAT后為25%，但在深約10μm處都約為40%。因此，當試樣沖擊強度增加后，一方面，表層變形抗力增加，另一方面，可形變誘發相變的奧氏體變少。

圖3 原始組織（a），噴丸組織（b）和機械研磨組織（c）的OM圖Fig.3 Microstructure observation by OM （a）original sample；（b）shot－peened sample；（c）SMATed sample

無論是噴丸沖擊還是機械研磨彈丸沖擊強化，在沖擊形變下亞穩態的奧氏體都有轉變成馬氏體的趨勢，圖4中X射線衍射峰位虛線標識的是奧氏體γ－（220）衍射峰，實線標識的是馬氏體α－（211）衍射峰情況，衍射角度2θ的變化也說明了沖擊相變的發生，衍射峰強度的變化說明了相變的數量。

為了進一步分析組織的影響，在透射電子顯微鏡下觀察試樣。結果發現，退火組織主要是奧氏體，晶界平直（圖5（a））；退火后噴丸表層組織形成了馬氏體板條，并可見原奧氏體晶界處也有馬氏體形成，如圖5（b）中箭頭所示，但同時仍然有很多奧氏體組織存在；退火后SMAT處理試樣表層晶界不清晰，形成了納米組織，而且還形成很多馬氏體板條和孿晶組織（圖5（c））。

圖4 304奧氏體不銹鋼的沖擊相變Fig.4 Phase transformation of 304austenite stainless steel caused by impact deformation

圖5 A（a），A＋SP（b）和A＋SMAT（c）的TEM微觀組織Fig.5 Microstructure observation by TEM（a）A；（b）A＋SP；（c）A＋SMAT

此外，由圖5（b）還可以發現，噴丸強化也產生了大量位錯，且在高速彈丸沖擊作用下，原來的亞穩態奧氏體組織轉變為板條狀的馬氏體組織。原奧氏體晶粒也被板條馬氏體所分割，且晶界不再清晰可見，但未形成納米組織。

機械研磨形成的馬氏體板條與孿晶組織可將原始的晶粒分割成一個個小的單元，原來的清晰晶界變得模糊，除了孿晶晶界和板條界面外其他界面不再清晰可見，而孿晶和板條寬度都在納米尺度范圍［11－15］，因此機械研磨可顯著細化晶粒和改善組織結構。

3 分析討論

國內外對于形變對力學性能影響的研究分析已有很多，如前所述材料的組織結構是影響材料力學性能的關鍵。從力學性能的影響因素來分析，表面沖擊形變強化形成的組織結構、加工硬化與殘余應力等因素都對力學性能具有影響作用。從組織結構來分析，噴丸強化一方面沖擊形變誘發了奧氏體轉變為馬氏體，可提高強度，但同時，由于表層的塑性形變層較淺，對內部奧氏體組織的牽制作用較小，因此，經噴丸強化沖擊處理后，其屈服強度和抗拉強度雖然有所增加，卻并不明顯。但由于表層發生的馬氏體轉變導致塑性變形能力較差，而且噴丸后晶粒細化效果不顯著，因此將降低塑性。

機械研磨SMAT處理在表層形成了一定深度的納米組織結構，一方面，可進一步提高強度（晶粒細化強度增加），另一方面，在提高強度的同時，不僅可誘發表層而且內部奧氏體在塑性變形作用下也可發生馬氏體變化，因此，可顯著提高強度并保持塑性。屈服強度和抗拉強度的提高源于沖擊作用下的組織細化和馬氏體相變，而塑性的保持來自組織細化導致的韌化與馬氏體相變脆化之間的平衡。機械研磨SMAT引入的組織細化導致的韌化是塑性得以保持的主要原因，也是與噴丸沖擊相比塑性能夠保持較好的關鍵所在。

材料強度與塑性的匹配對于材料性能潛力的發揮非常重要。對于沖擊形變組織，沖擊變形層內的梯度特性與變形層深度將直接影響材料的力學性能，這是有待深入研究的課題，也是表層梯度組織與性能研究的重點內容之一。

沖擊形變強化改性的研究涉及沖擊強化層的組織、殘余應力、加工硬化等多方面的研究，沖擊強化改性效果與改性層的深度、梯度特性和組織結構相關，強度與韌性的匹配以及深度與梯度特性的匹配都是材料強度性能潛力發揮的關鍵所在。

此外，沖擊強化在表層形成了形變納米組織，其晶粒大小分布與形變的深度、變形的程度和變形的梯度特性都密切相關，這也是影響沖擊形變納米組織性能的主要因素，表面納米化可改善材料的很多性能［16－18］，因此將是未來納米組織結構與性能研究所關注的研究內容之一。

材料的表面層組織結構不僅影響拉伸性能，而且材料的表面還影響著材料的疲勞、腐蝕和磨損等性能，因此對表面層的組織結構進行設計和優化，已成為國內外表面完整性研究的重要內容［19］。此外，采用高能沖擊強化對材料表面進行復合改性已成為齒輪和軸承等傳動件的關鍵抗疲勞制造技術［20］，因此開展材料表面高能沖擊復合強化的科學理論基礎研究和新工藝新設備的技術開發研究將是未來非常具有發展潛力的研究方向，其在工程領域將具有十分廣闊的應用前景。

4 結論

（1）噴丸強化和機械研磨沖擊強化可使304奧氏體不銹鋼中亞穩態的奧氏體轉變為馬氏體。

（2）噴丸對退火304奧氏體不銹鋼拉伸性能的改善作用不顯著，而SMAT對拉伸性能的改善比較顯著。SMAT顯著提高了退火304奧氏體不銹鋼的強度，但不降低其塑性，而噴丸沖擊則使塑形顯著下降。

（3）沖擊形變組織的改性效果與改性層的深度、梯度特性和組織結構相關，強度與韌性的匹配以及深度與梯度特性的匹配是材料強度性能潛力發揮的關鍵。

（4）形變納米組織的晶粒大小分布與形變深度和梯度特性是影響形變納米組織性能的主要因素，也是未來納米組織結構與性能研究的重點。

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