李鵬軍，趙篤勇，王雷雷

(山東礦機(jī)集團(tuán)股份有限公司，山東昌樂(lè) 262400)

超聲波噴丸(USP)是一種新型的表面改性方法，與傳統(tǒng)噴丸相比，超聲波噴丸能獲得更大的硬化層深度和壓應(yīng)力值，且工件表面粗糙度精度良好，同時(shí)其具有容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、成形工序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)［1］，因此在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值［2］。

所謂噴丸覆蓋率，是指噴丸后試樣表面上彈坑占據(jù)的面積與受噴表面總面積之比，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。在工程實(shí)際應(yīng)用中，除圖紙有其他規(guī)定外，所有要求噴丸的表面最少應(yīng)達(dá)到100%的表面覆蓋率。目前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)超聲波噴丸表面改性方法進(jìn)行了闡述，然而還沒(méi)有文獻(xiàn)專門對(duì)噴丸覆蓋率這一影響參數(shù)進(jìn)行較為深入的研究;而且在工程實(shí)際應(yīng)用中，雖然已經(jīng)肯定了100%覆蓋率對(duì)于超聲波噴丸強(qiáng)化效果的影響，但是當(dāng)覆蓋率高于100%時(shí)噴丸效果如何卻還沒(méi)有定性的結(jié)論。

因此，本文以 Q345鋼為研究對(duì)象，選用100%，200%和300%等3種不同的覆蓋率對(duì)試樣進(jìn)行超聲波噴丸處理，通過(guò)光學(xué)金相顯微鏡、顯微硬度儀、XRD殘余應(yīng)力分析儀和表面粗糙度測(cè)試儀分析研究噴丸強(qiáng)化層的微觀組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度分布特點(diǎn)、殘余應(yīng)力狀態(tài)、表面物理狀態(tài)，為超聲波噴丸強(qiáng)化在Q345鋼等常用金屬材料改性方面的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)的材料選用厚度為2mm的Q345鋼板，其物理性能：彈性模量E為206GPa，抗拉強(qiáng)度σb為470MPa，屈服強(qiáng)度度σs為345MPa，延伸率δ為32%，密度ρ為7 850kg·m-3。超聲波噴丸裝置選用手持型SY-2000P超聲波噴丸機(jī)(如圖1所示)。其原理是通過(guò)換能器將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率大于20kHz的振蕩電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的縱波機(jī)械振動(dòng)能量，再通過(guò)變幅桿將換能器微小振幅(一般為4μm)放大到20～80μm，然后借助安裝在振動(dòng)工具頭上的撞針或噴丸室里的彈丸沖擊金屬材料表面，使金屬表層發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生小的凹坑，使得在噴丸過(guò)程中，材料經(jīng)歷彈性變形、彈塑性變形和完全塑性變形過(guò)程，而球形曲面直接增大了上層表面的表面積。金屬材料表層發(fā)生的塑性變形具有一定的深度，形成的殘余壓應(yīng)力不僅存在于金屬表面上，而且沿板料厚度方向呈一定形式分布。

圖1 SY-2000P超聲波噴丸機(jī)

本試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備使用可視化工具——測(cè)量顯微鏡觀察Q345鋼試樣橫截面的金相組織;顯微硬度測(cè)量采用MVC-1000A1型顯微硬度計(jì)，所加載荷為200g，加載時(shí)間為15s;采用MSF-3M型XRD殘余應(yīng)力分析儀測(cè)定Q345鋼拋光試樣及經(jīng)不同超聲波噴丸覆蓋率處理后試樣表面的殘余應(yīng)力分布;采用TR101袖珍式表面粗糙度儀測(cè)量試樣的表面粗糙度。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前對(duì)Q345鋼試樣表面進(jìn)行機(jī)械拋光處理，以獲得光潔平整的表面，然后采用手持型SY-2000P超聲波噴丸機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行雙面噴丸。超聲波噴丸采用3種不同的規(guī)范，分別記為A，B和C，其工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Q345鋼超聲波噴丸工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相組織觀察

金相組織如圖2所示。圖2(a)為Q345鋼試樣的原始組織，可以看到試樣內(nèi)部組織晶粒大小基本一致，尺寸約為20～50μm。經(jīng)過(guò)不同覆蓋率的噴丸處理后可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴丸覆蓋率的增加，試樣的晶粒尺寸也變的越來(lái)越小，當(dāng)超聲波噴丸的覆蓋率達(dá)到300%時(shí)，晶粒的最小尺寸為15μm左右，而且部分晶粒變得破碎，有些晶粒甚至已經(jīng)難以辨別，這種晶粒碎化是超聲波噴丸過(guò)程中試樣表面反復(fù)塑性變形的結(jié)果。

圖2 不同噴丸覆蓋率下試樣強(qiáng)化層的金相組織

當(dāng)噴丸覆蓋率較低時(shí)，試樣表層晶粒細(xì)化的效果并不明顯，這是由于在較小的覆蓋率下撞針沖擊試樣表面的次數(shù)較少，表層材料發(fā)生反復(fù)塑性變形的次數(shù)不是很多，因此晶粒尺寸沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。隨著噴丸覆蓋率的增加，表層材料受到撞針?lè)磸?fù)的沖擊作用，發(fā)生了劇烈的塑性變形，晶粒細(xì)化的效果較為顯著。

2.2 顯微硬度測(cè)定

Q345鋼試樣的顯微硬度沿層深的分布如圖3所示。從圖3可以看出，超聲波噴丸后試樣表面顯微硬度隨噴丸覆蓋率的增大而增大，未噴丸試樣的顯微硬度值基本趨于一致。同一種噴丸覆蓋率下，試樣從表面到0．2mm處塑性變形層的顯微硬度明顯下降，之后的顯微硬度值漸漸趨于平緩，即曲線下降趨勢(shì)隨深度的增大而減小，最后趨于平緩。

圖3 超聲波噴丸前后試樣顯微硬度分布

此外，由圖3可知，超聲波噴丸強(qiáng)化后的顯微硬度值均比未噴丸試樣的大，這是由于晶粒細(xì)化和加工硬化提高了硬度。隨著覆蓋率的提高，材料顯微硬度的增高符合Hall-Petch理論，即材料硬度隨亞晶粒尺寸的減小而增高。此外，由位錯(cuò)理論可知，噴丸材料表面在塑性變形過(guò)程中發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，引起大量位錯(cuò)交割和增殖，并且增加空位、間隙原子、層錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，從而阻礙位錯(cuò)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，引起加工硬化。

2.3 殘余應(yīng)力測(cè)定

本文使用X射線衍射儀對(duì)Q345鋼在不同噴丸覆蓋率下產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)試樣選擇3個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，最終的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果顯示未噴丸和噴丸試樣表面層都存在殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，隨著超聲波噴丸覆蓋率的增加，表面殘余壓應(yīng)力的值也不斷增大。試樣表層殘余應(yīng)力的產(chǎn)生既與機(jī)械應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)，也與熱應(yīng)力所造成的塑性變形有關(guān)［3］。超聲波噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力來(lái)源于材料塑性變形的不均勻性和未塑性變形部分的彈性回復(fù)作用［4］。超聲波噴丸過(guò)程中，撞針以一定的速度反復(fù)撞擊材料表面，使表層金屬只在一定深度的局部范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，由于表層和內(nèi)層間的不均勻塑性變形使得受噴部位形成殘余壓應(yīng)力，內(nèi)部則為拉應(yīng)力［5］。

表面殘余壓應(yīng)力可有效抑制疲勞裂紋源在表

表2 不同噴丸覆蓋率下表面殘余壓應(yīng)力值

面萌生，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋源只有到表面層最薄弱的地方尋找?guī)茁?，一般只能產(chǎn)生在壓應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化的地方，如產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力、有夾雜物、有缺陷的地方;裂紋成核后雖然有外力繼續(xù)作用，但裂紋的擴(kuò)展受到了壓應(yīng)力場(chǎng)的阻抑，難以快速擴(kuò)展，要想擴(kuò)展必須達(dá)到σa≥σ-σr，即交變的外力σa要大于材料本身的抗力σ與殘余應(yīng)力σr之差。由此可見(jiàn)，Q345鋼經(jīng)超聲波噴丸強(qiáng)化后獲得的表面殘余壓應(yīng)力和表面層應(yīng)力場(chǎng)有助于改善該材料的抗疲勞斷裂能力。

2.4 表面粗糙度測(cè)定

本文對(duì)3種不同超聲波噴丸覆蓋率下的Q345鋼試樣進(jìn)行表面粗糙度測(cè)定，并與未噴丸試樣的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。每個(gè)試樣選擇3個(gè)不同位置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果列于表3。

表3 表面粗糙度值測(cè)定結(jié)果 μm

從表3可以看出，與未噴丸試樣相比，Q345鋼試樣經(jīng)超聲波噴丸強(qiáng)化處理后表面粗糙度明顯增加，且隨著噴丸覆蓋率的增大，粗糙度不斷降低。而疲勞性能與表面粗糙度有密切關(guān)系，當(dāng)Q345鋼試樣經(jīng)超聲波噴丸處理后，表面粗糙度Ra最高可達(dá)到4．4μm。研究表明，表面粗糙度的增高會(huì)引起明顯的載荷應(yīng)力集中，降低噴丸引入的最大殘余壓應(yīng)力值，削弱殘余壓應(yīng)力的作用［6］。因此，對(duì)Q345鋼試樣表面進(jìn)行超聲波噴丸處理時(shí)，應(yīng)盡量避免噴丸引入的表面粗糙度值過(guò)高，而提高覆蓋率就是一種非常簡(jiǎn)單有效的方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，Q345鋼表面性能隨噴丸覆蓋率的增加而變得更加優(yōu)良，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，而超聲波噴丸覆蓋率對(duì)其他金屬表面性能的影響仍需要深入了解。如何充分利用不同的超聲波噴丸覆蓋率對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化處理從而得到優(yōu)良性能的金屬材料，是金屬材料研究工作者最終的目標(biāo)。為了讓這種工藝手段具有更廣闊的應(yīng)用前景，有必要更加深入地了解和認(rèn)知這種工藝方法，不斷優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，努力尋找更優(yōu)的超聲波噴丸方法。

［1］ Zhang X H，F(xiàn)isher J W，Prask H J．Effect of shot peening on fretting fatigue of Ti811 alloy at elevated temperature［J］．International Journal of Fatigue，2009，31(5)：889-893．

［2］ Alexandre M A，Larose S，Perron C．The surface integrity of turned and ground hardened bearing steel［J］．Wear，1996(13)：279-284．

［3］ 米谷茂．殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對(duì)策［M］．朱荊璞，邵會(huì)孟，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983：181．

［4］ 肖宏濱．強(qiáng)力噴丸對(duì)接觸疲勞性能的影響機(jī)理［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1997，28(4)：112-117．

［5］ 方博武．受控噴丸與殘余應(yīng)力理論［M］．濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1991．

［6］ 李金魁，姚枚，王仁智，等．噴丸強(qiáng)化的綜合效應(yīng)理論［J］．航空學(xué)報(bào)，1992，13(11)：670-677．