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第二十四期 噴丸在零件表面引入的塑性變形對(duì)殘余應(yīng)力的影響
發(fā)布時(shí)間:2017/12/25 15:43:42

引 言                                                                                                    

    噴丸在零件表面引入的殘余壓應(yīng)力層是實(shí)際噴丸效果的重要因素。該零件表層的殘余壓力層可以抵消外部施加的拉應(yīng)力,從而可以使零件在疲勞、腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的環(huán)境下提高其服役性能。因此,任何能夠影響表面應(yīng)力水平的因素都是非常重要的。

    眾所周知,一定溫度下的熱處理可以降低零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力水平。通常可以通過(guò)消除應(yīng)力退火的方法降低零件表面的有害拉應(yīng)力。但是,一定溫度下的熱處理也可以消除有益的表面殘余壓應(yīng)力,因此在一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,對(duì)于噴丸后的零件使禁止熱處理的。目前大家可能了解比較少的是,小的塑性應(yīng)變能夠很大程度地影響噴丸后零件的殘余應(yīng)力分布。有研究指出,對(duì)于噴丸后鋁合金(AlCu5Mg2),壓和拉塑性應(yīng)變可以改變表面的應(yīng)力水平。在材料表面上施加一個(gè)小的拉塑性應(yīng)變可以把材料表層的原始?xì)堄鄩簯?yīng)力改變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。從另一方面來(lái)講,壓塑性應(yīng)變僅僅降低了表面殘余壓應(yīng)力水平,而未能改變壓應(yīng)力的符號(hào)。

    本篇文章主要關(guān)注塑性應(yīng)變對(duì)已噴丸材料的影響。本篇文章只考慮所施加的拉應(yīng)變,這是因?yàn)槔瓚?yīng)變比壓應(yīng)變的效果要大的多。選擇兩種常見(jiàn)的純?cè)夭牧希~和鎳以及三種鋼鐵材料-低碳鋼(美國(guó)條鋼牌號(hào)B)、碳素鋼(BS EN8)和低合金鋼(BS EN30B)。對(duì)于兩種純?cè)夭牧?,檢測(cè)了其次表層的殘余應(yīng)力分布變化。采用相同型號(hào)的丸料對(duì)以上試塊的兩個(gè)主要的面進(jìn)行噴丸強(qiáng)化。

試驗(yàn)細(xì)節(jié) 

    用于研究的幾種材料分別為銅(99.99%),鎳(0級(jí),99.92%鎳),低碳鋼(美國(guó)條鋼牌號(hào)B,0.05%),碳素鋼(BS EN8,0.4%C,0.8%Mn)和低合金鋼(BS EN30B,0.3%C,0.5%Mn,4.1%Ni,1.25%Cr,0.3%Mo)。

    試驗(yàn)試樣表面平整。銅和鎳試樣的尺寸為150mm×13.0mm×3.0mm,三種鋼鐵材料試樣的尺寸為150mm×13.0mm×2.2mm。所有試樣在噴丸前都進(jìn)行了消除應(yīng)力退火。銅和鎳試樣采用SAE 70的丸料以5N(0.127mmN)的強(qiáng)度進(jìn)行噴丸。三種鋼鐵材料的試樣采用SAE 110的丸料以8A2(0.203mmA,A2型試片)的強(qiáng)度進(jìn)行噴丸。

    把伸長(zhǎng)計(jì)依次放入到試樣中,采用電子拉伸測(cè)試設(shè)備對(duì)試樣施加拉塑性應(yīng)變。對(duì)于每種材料,分別對(duì)一系列的試樣施加不同的塑性應(yīng)變。每一個(gè)試樣的應(yīng)變可以通過(guò)負(fù)載/延伸曲線進(jìn)行估算。精確的塑性應(yīng)變可使用移測(cè)顯微鏡通過(guò)每個(gè)微小的鉆石形狀的壓痕得出。

    對(duì)銅和鎳試樣的次表層殘余應(yīng)力測(cè)試需要對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)均勻的去除。可以采用合適的溶液用化學(xué)拋光的方法實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)中只對(duì)試樣的一個(gè)面進(jìn)行化學(xué)拋光并對(duì)材料去除后對(duì)殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行修正。

試驗(yàn)和結(jié)果

    關(guān)于所施加的塑性應(yīng)變對(duì)表面殘余應(yīng)力水平的影響的研究結(jié)果如圖1~5所示。測(cè)試每個(gè)張力試樣在拉伸伸展前后的表面應(yīng)力水平。對(duì)于所研究的五種材料,均測(cè)試了其噴丸后的應(yīng)力分布。該應(yīng)力分布的分散特征均可歸因于噴丸的變化性,即殘余應(yīng)力其本身的測(cè)試精度小于分散度的四分之一。所有五個(gè)應(yīng)力/塑性應(yīng)變曲線的形狀均非常相似。一個(gè)共同的特征就是隨著所施加的塑性應(yīng)變的增加,殘余應(yīng)力水平很快地降低到了零應(yīng)力。應(yīng)力變?yōu)榱闼鶎?duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變可以稱之為“臨界應(yīng)變”。銅、鎳、低碳鋼(美國(guó)條鋼牌號(hào)B)、碳素鋼(BS EN8)、和低合金鋼(BS EN30B)的臨界應(yīng)變值分別為0.30%、0.275%、1.1%、1.25%和0.30%。第二個(gè)共同特征就是在臨界應(yīng)變之后,隨著塑性應(yīng)變的進(jìn)一步增加,試樣表面的應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。在圖1~5中,均存在一個(gè)最大的殘余拉應(yīng)力點(diǎn),該點(diǎn)過(guò)后,隨著塑性應(yīng)變的增加,殘余拉應(yīng)力水平下降。銅、鎳、低碳鋼(美國(guó)條鋼牌號(hào)B)、碳素鋼(BS EN8)、和低合金鋼(BS EN30B)的最大拉應(yīng)力值分別為+160、+185、+375、+300和+260MPa。

    在銅和鎳材料上對(duì)殘余應(yīng)力的進(jìn)一步展開(kāi)研究(包括應(yīng)力層的連續(xù)去除)。研究結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)果顯示出了一些有趣的特征。銅和鎳噴丸后的殘余壓應(yīng)力層深均為150μm左右。該層深過(guò)后,就出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力。在施加應(yīng)變的情況下,臨界應(yīng)變過(guò)后,其應(yīng)力分布與噴丸狀態(tài)相反,即表層為拉應(yīng)力層,而內(nèi)部為與之平衡的壓應(yīng)力層??梢酝茢喑?,隨著臨界應(yīng)變的增加,表面拉應(yīng)力層深會(huì)隨之增加。對(duì)銅試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時(shí)(略微超過(guò)臨界應(yīng)變值0.3%),其應(yīng)力層深為50μm,而對(duì)鎳試樣施加的應(yīng)變?yōu)?.31%時(shí)(較多超過(guò)臨界應(yīng)變值0.275%),其應(yīng)力層深為100μm。對(duì)銅試樣施加次臨界應(yīng)變0.25%時(shí),則其應(yīng)力狀態(tài)顯示為噴丸后狀態(tài)和應(yīng)變1.31%狀態(tài)的中間狀態(tài)。雖然其表層仍未壓應(yīng)力狀態(tài),但在次表層中顯示出了應(yīng)力水平較低。

    在試樣上也進(jìn)行了塑性形變前后的金相和顯微硬度的研究。研究結(jié)果表明,(1)噴丸后狀態(tài)的試樣其硬化層和壓應(yīng)力層深相似;(2)施加的塑性應(yīng)變直至1.0%,試樣表層的顯微硬度沒(méi)有明顯改變。

 

圖1.噴丸后銅材料的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

 

圖2. 噴丸后鎳材料的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線 

圖3. 噴丸后低碳鋼(美國(guó)條鋼牌號(hào)B,0.05%)的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

 

圖4. 噴丸后碳素鋼(BS EN8)的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

 

圖5.噴丸后低合金鋼(BS EN30B)的殘余應(yīng)力/塑性延伸曲線

 

圖6. 噴丸后以及應(yīng)變后銅材料的殘余應(yīng)力層深分布

 

圖7. 噴丸后以及應(yīng)變后鎳材料的殘余應(yīng)力層深分布

討論和結(jié)論

    所觀察到的拉塑性應(yīng)變對(duì)殘余應(yīng)力的影響結(jié)果與其它報(bào)道的研究結(jié)果非常一致。因此可以推斷如果臨界拉塑性應(yīng)變進(jìn)一步增加,噴丸引入的表面殘余壓應(yīng)力有可能會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)成為殘余拉應(yīng)力。這一結(jié)論非常重要,因?yàn)閲娡韬笠氲臍堄鄩簯?yīng)力的優(yōu)勢(shì)在一定條件下可能會(huì)消失。如果零件表面存在殘余拉應(yīng)力,那么對(duì)該零件的服役性能是非常不利的。而噴丸后的零件處在一個(gè)拉塑性應(yīng)變的環(huán)境中也不是沒(méi)有可能的。零件的偶然損害有可能會(huì)發(fā)生。變形的零件可能會(huì)需要進(jìn)行校正。如果可能的話,上述情況應(yīng)該要避免。有時(shí),重新噴丸的方法會(huì)被用于使零件保持一定殘余壓應(yīng)力層深。

    從次表層殘余應(yīng)力的研究結(jié)果來(lái)看,應(yīng)力反轉(zhuǎn)并不會(huì)限定在最表層。所引入的殘余拉應(yīng)力的層深也可以與原始的壓應(yīng)力層深達(dá)到相似的狀態(tài)。

    從次表層殘余應(yīng)力變化所得到的結(jié)果非常有限,只能具體地、定量地來(lái)解釋試驗(yàn)結(jié)果。如圖8所示,該圖為簡(jiǎn)單的機(jī)理解釋。圖中顯示了噴丸后的應(yīng)力分布為σR以及沿截面的屈服應(yīng)力γ的變化分布。表面的屈服應(yīng)力要稍高一些。主要是因?yàn)閲娡鑾?lái)的冷作硬化的效應(yīng)。施加任意的拉應(yīng)力σA和σR,兩者結(jié)合形成σC的應(yīng)力分布。當(dāng)σA達(dá)到一個(gè)臨界值,那么σC會(huì)達(dá)到與內(nèi)部屈服應(yīng)力相同的值。因此其內(nèi)部就會(huì)發(fā)生永久的塑性拉伸變形。但是在該階段表層僅僅承受彈性變形。然后我們可以獲得殘余應(yīng)力發(fā)展基本機(jī)理的均勻塑性變形的典型狀態(tài)。內(nèi)部的塑性延伸變形被表層的拉應(yīng)力所抵抗。內(nèi)部塑性延伸變形越大,那其表面的平衡力也越大。該增加的平衡力通過(guò)表面增加的拉應(yīng)力水平和層深表現(xiàn)出來(lái)。

    總之,需要指出的是,在噴丸后的材料中,對(duì)于塑性應(yīng)變對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響還有相當(dāng)廣闊的領(lǐng)域值得去探究。



 

圖8.噴丸后試樣經(jīng)過(guò)拉伸應(yīng)變后的應(yīng)力疊加圖












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