40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強(qiáng)化層微觀結(jié)構(gòu)

劉天琦，　李春志，　盛　偉，　王　強(qiáng)

(北京航空材料研究院，北京 100095)

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40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強(qiáng)化層微觀結(jié)構(gòu)

劉天琦，李春志，盛偉，王強(qiáng)

(北京航空材料研究院，北京 100095)

噴丸強(qiáng)化在金屬材料表面形成強(qiáng)化層，可以有效提高構(gòu)件的疲勞壽命，是金屬構(gòu)件表面完整性制造的重要方法。噴丸強(qiáng)化已有效應(yīng)用于40CrNi2Si2MoVA鋼制構(gòu)件，為了探明噴丸強(qiáng)化對(duì)該鋼種的強(qiáng)化機(jī)理，本工作采用高分辨電子顯微電鏡(HREM)對(duì)40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強(qiáng)化層微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。結(jié)果表明：噴丸強(qiáng)化使40CrNi2Si2MoVA鋼組織細(xì)化，呈明顯的馬氏體“有效晶粒”現(xiàn)象，“有效晶?！背叽鐬閹讉€(gè)納米到幾十個(gè)納米；“有效晶粒”界面呈明顯的傾轉(zhuǎn)現(xiàn)象，相鄰“有效晶?！遍g轉(zhuǎn)動(dòng)角度為幾度到幾十度，最大達(dá)到30°。

40CrNi2Si2MoVA鋼；噴丸強(qiáng)化；微觀結(jié)構(gòu)

40CrNi2Si2MoVA鋼為低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，由于其具有高強(qiáng)度、良好的韌性和抗疲勞性能而在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外90%以上的軍、民用飛機(jī)起落架采用該材料制造。與其他高強(qiáng)度材料相同，40CrNi2Si2MoVA鋼有一固有缺點(diǎn)，就是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感，而形狀、加工等因素會(huì)使得構(gòu)件不可避免地存在應(yīng)力集中部位。為了抑制這一缺點(diǎn)，充分發(fā)揮材料的優(yōu)良性能，必須采取一定措施來(lái)降低構(gòu)件應(yīng)力集中敏感，從而保證構(gòu)件的表面完整性。

構(gòu)件的表面完整性決定了高強(qiáng)度構(gòu)件的疲勞行為。美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室(AFLM)在其《機(jī)械加工構(gòu)件表面完整性制造指南》中指出，表面完整性是指控制加工工藝方法造成的無(wú)損傷或強(qiáng)化的表面狀態(tài)。因此表面強(qiáng)化是構(gòu)件表面完整性制造的重要方法，而噴丸強(qiáng)化是現(xiàn)代工程中最常用的表面強(qiáng)化技術(shù)[1-2]。噴丸強(qiáng)化在材料表面形成一個(gè)變質(zhì)層，變質(zhì)層內(nèi)微觀組織結(jié)構(gòu)等發(fā)生了重大變化，從而顯著提高了材料抗疲勞性能[3-5]。

一直以來(lái)，針對(duì)超高強(qiáng)度鋼噴丸強(qiáng)化層微觀結(jié)構(gòu)的研究工作很少。隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)采用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)高強(qiáng)材料表面變質(zhì)層微觀結(jié)構(gòu)的研究工作取得了較好的效果[6-7]。本研究采用高分辨電子顯微術(shù)對(duì)40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強(qiáng)化層微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，從微觀組織方面揭示噴丸強(qiáng)化對(duì)提高材料抗疲勞性能、改善表面完整性的機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

40CrNi2Si2MoVA鋼采用真空感應(yīng)加真空自耗(VIM+VAR)雙真空熔煉，經(jīng)過(guò)1160 ℃加熱鍛造開(kāi)坯成材，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：C 0.40，Mn 0.70，Si 1.65，S 0.001，P 0.006, Cr 0.88，Ni 1.95，Mo 0.40，V 0.10，F(xiàn)e余量。熱處理為870 ℃保溫1 h，油冷；300 ℃保溫2 h，空冷，兩次。在噴丸機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行處理，所用鋼丸為S110，覆蓋率150%，強(qiáng)度為0.3 A。

采用JEOL2010型TEM和HREM觀察噴丸強(qiáng)化層微觀組織的結(jié)構(gòu)特征。

2　結(jié)果及分析

經(jīng)870 ℃油淬，300 ℃兩次回火處理后，40CrNi2Si2MoVA鋼的組織為板條馬氏體、下貝氏體、殘余奧氏體及彌散分布的ε-碳化物。圖1所示為40CrNi2Si2MoVA鋼組織照片。圖1(a)為光學(xué)組織照片，晶粒大小為10～50 μm；圖1(b)為T(mén)EM暗場(chǎng)像，顯示的是一個(gè)晶粒內(nèi)板條馬氏體的排列情況；圖1(c)是衍射譜，標(biāo)定為馬氏體、奧氏體及ε-碳化物[8]。

圖1　40CrNi2Si2MoVA鋼組織照片　(a)光學(xué)組織;(b)TEM暗場(chǎng)像;(c)衍射圖Fig.1　Microstructure of 40CrNi2Si2MoVA steel　(a) optical microstructure; (b) dark field morphology of TEM 0)A; (c) diffraction pattern of selected area

實(shí)際上，圖2(b)衍射圖與模擬圖2(d)更為貼切；這是由于某些等效晶粒的取向不是嚴(yán)格的[111]方向，對(duì)[111]有至少3°～5°的偏離，這個(gè)偏離是由于在外力作用下，等效晶粒的傾轉(zhuǎn)不僅繞[111]軸，還同時(shí)會(huì)繞垂直于[111]的軸傾轉(zhuǎn)。這里1，2和4較靠近[111]，而3，5，6和7都有不同程度的偏離。

圖2　40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品組織的TEM照片(直徑160 nm范圍內(nèi))(a)TEM明場(chǎng)像；(b)該區(qū)域的衍射圖；(c)，(d)衍射圖模擬圖Fig.2　TEM images of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(within 160 nm)(a)bright field morphology；(b)diffraction pattern of selected area；(c)，(d)analog of the diffraction pattern

圖2有效地證明了噴丸使晶粒細(xì)化。在近[111]入射方向有七種等效晶粒的衍射斑，應(yīng)指出七種不是七個(gè)(因?yàn)槊糠N里有不止一個(gè)等效晶粒，相同取向等效晶?？煞植荚诓煌?，它們同時(shí)對(duì)同一衍射斑的強(qiáng)度做出貢獻(xiàn))，等效晶粒數(shù)應(yīng)比七多一些。還應(yīng)指出，這里僅分析了第一圈環(huán)，{110}面族環(huán)，這個(gè)環(huán)幾乎全由近[111]取向的等效晶粒的{110}衍射斑點(diǎn)構(gòu)成，實(shí)際上直徑160 nm范圍內(nèi)還可有少量高指數(shù)取向的等效晶粒，它們的衍射斑不在這個(gè)環(huán)上。由此可推知等效晶粒的直徑應(yīng)為幾納米到幾十納米。

圖3是噴丸樣品直徑600 nm范圍的TEM圖像，圖3(a)為T(mén)EM明場(chǎng)像，圖3(b)為該區(qū)域的衍射圖，衍射圖呈現(xiàn)為多晶環(huán)圖。c，d，e，f，g和h圖分別對(duì)應(yīng)于b圖上的{110}面族環(huán)上的1，2，3，4，5和6處反射的暗場(chǎng)像。圖3在更大的噴丸區(qū)域內(nèi)，更為直觀地展示了等效晶粒的分布和大小。等效晶粒的直徑應(yīng)為幾納米到幾十納米。

圖3　40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品組織的TEM照片(直徑600 nm范圍)　(a)TEM明場(chǎng)像；(b)該區(qū)域的衍射圖；(c)～(h)分別對(duì)應(yīng)于衍射圖上1～6反射的暗場(chǎng)像Fig.3　TEM images of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(within 600 nm)(a)bright field morphology;(b)selected area diffraction pattern;(c)-(h)dark field morphologies corresponding to 1-6 in Fig.3(b)

為了進(jìn)一步揭示40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸后材料表層微觀組織結(jié)構(gòu)，利用高分辨電子顯微術(shù)(HREM)對(duì)40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品進(jìn)行了觀察分析。

圖5和圖6顯示的相疊的兩部分晶體是噴丸強(qiáng)化形成的，一個(gè)單晶體(晶粒)在外力的作用下，產(chǎn)生晶格畸變，一部分相對(duì)另一部分傾轉(zhuǎn)造成了晶粒的細(xì)化。

圖4　未噴丸樣品 [111]方向的HREM像及HREM過(guò)濾像Fig.4　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel without shot peening(B=[111])

圖5　噴丸樣品 [111]方向的HREM像及HREM過(guò)濾像Fig.5　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(B=[111])

圖6　噴丸樣品另一個(gè)區(qū)域 [110]方向的HREM像　　　及HREM過(guò)濾像Fig.6　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(B=[110])

由上述對(duì)40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品的TEM和HREM的觀察與分析，可見(jiàn)：噴丸使晶粒細(xì)化，生成許多由幾納米到幾十納米的等效晶粒，呈明顯的馬氏體“有效晶?！爆F(xiàn)象；“有效晶?！遍g的角度由幾度到幾十度(由TEM衍射圖測(cè)得4°，9°，17°，20°，23°和30°，HREM測(cè)得16°和23°)。

噴丸強(qiáng)化使40CrNi2Si2MoVA鋼表層組織晶粒、亞晶粒產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致晶格畸變，出現(xiàn)了馬氏體“有效晶?！爆F(xiàn)象，從而使晶粒細(xì)化。研究表明[9]，晶粒細(xì)化可以提高鋼的抗疲勞性能。

塑性變形在力方面的體現(xiàn)為殘余應(yīng)力，而在形狀方面的體現(xiàn)為晶格畸變，殘余應(yīng)力的本質(zhì)就是晶格畸變[10]，因此，強(qiáng)化層內(nèi)殘余壓應(yīng)力與微觀結(jié)構(gòu)的變化是伴生的。

3　結(jié)論

(1)噴丸使40CrNi2Si2MoVA鋼表層組織細(xì)化，呈明顯的馬氏體“有效晶?！爆F(xiàn)象；“有效晶粒”尺寸為幾納米到幾十納米。

(2)噴丸使40CrNi2Si2MoVA鋼表層晶粒間發(fā)生傾轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為幾度到幾十度。

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(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

(責(zé)任編輯：徐永祥)

Microstructure of Surface Layer of 40CrNi2Si2MoVA Steel after Shot-peening

LIU Tianqi, LI Chunzhi，SHENG Wei,WANG Qiang

A strengthen layer can be formed on the surface of metal materials via shot peening strengthening, and the fatigue life of component could be prolong substantially. Shot peening is an important method to construct the surface integrity of metal component. In order to investigate the strengthening mechanism of 40CrNi2Si2MoVA steel, the microstructure of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening has been studied using high-resolution electron microscope (HREM). The experimental results show that the microstructure of surface layer of 40CrNi2Si2MoVA steel is refined after shot peening, and the martensite “effective grain” phenomenon can be observed clearly．The sizes of the “effective grain” are from several to tens of nanometers, and the interface between “effective grains” shows twisting phenomenon apparently. The twisting angles between “effective grains” are from several to tens of degrees, and the largest angle reaches 30°.

40CrNi2Si2MoVA steel；shot peening；microstructure

2015-08-28；

2015-09-09

劉天琦(1971—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事超高強(qiáng)度鋼的研究，(E-mail)liutq 525@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.2.005

TG142.41

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1005-5053(2016)02-0028-05