程國鋒 鐘蜀暉 車正偉

0 引言

通過對316L不銹鋼表面納米化處理,改善其表面層組織結構,從而提高材料的力學性能。然而在316L不銹鋼表面納米化處理后,內(nèi)部存在殘余應力,這種殘余應力影響金屬材料的性能。本文就經(jīng)過納米化處理和未經(jīng)過納米化處理的316L不銹鋼進行殘余應力的測試,并對結果進行對比、分析。

1 實驗材料與方法

目前對材料進行納米化的處理方法有三種,分別為表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法,在這三種納米化處理方法中只有表面自身納米化處理方法,既可解決納米晶體層與基體之間結合的問題,又可以利用傳統(tǒng)的表面加工技術得以廣泛的推廣。在本文利用的材料是經(jīng)16 min超聲噴丸表面納米化處理的316L不銹鋼板。

為了測試316L不銹鋼納米化處理后殘余應力對材料性能的影響,實驗中采用了2組試件,試件的尺寸如圖1所示。試件的厚度均為1 mm,材料均為316L不銹鋼,兩組試件分別為:

1)未經(jīng)處理的316L不銹鋼試件;2)經(jīng)超聲噴丸處理16 min,試件表面形成納米晶組織的316L不銹鋼試件;殘余應力測試實驗均在X-350A型應力測定儀上進行,實驗的目的是比較同種原材料在經(jīng)過納米化處理后殘余應力的改變,進而判斷經(jīng)納米化處理后材料性能的改變。

材料的化學成分和常規(guī)性能見表1,表2。

2 殘余應力測試

表1 實驗用316L不銹鋼化學成分 %

表2 實驗用316L不銹鋼常規(guī)性能表

2.1 測試方法的確定

經(jīng)噴丸表面納米化處理的316L不銹鋼,材料在外荷載重復作用下,表面的粗晶組織通過不同的方式產(chǎn)生強烈的塑性變形直至細化至納米量級,這種塑性變形將產(chǎn)生大量的缺陷,如位錯、孿晶、層錯和剪切帶,在材料表面產(chǎn)生梯度性的殘余應力。本文就是研究殘余應力沿深度的分部。

試驗中采用X-350A型應力測定儀對試件的殘余應力進行測試,由于在試驗中需要對材料沿不同深度的殘余應力進行測量,而X-350A型應力測定儀的X射線對鋼材的穿透能力在10μ m左右,故采用逐層剝層法對不同深度的殘余應力進行測量。

2.2 X-350A型應力測定儀測試參數(shù)的確定

測試參數(shù)的選取見表3。

表3 測試參數(shù)的選取

2.3 測試結果

在檢測試件上取3個點(如圖2所示),采用金相試樣預磨機對試件進行逐層打磨,逐層測試表面的殘余應力(見表4,表5)。

表4 表面納米化試件的試驗殘余應力數(shù)據(jù)

3 殘余應力的修正

本實驗是沿著板厚度方向逐層剝離金屬表層,然后測試出露表面的殘余應力,但是在剝離過程中部分殘余應力被釋放,導致被測試區(qū)域內(nèi)的殘余應力重新分布,通過實驗測得的殘余應力不等于該點被剝離前的真實殘余應力,因此需要對釋放應力所造成的影響通過彈性理論加以修正。

表5 表面未納米化試件的試驗殘余應力數(shù)據(jù)

3.1 基本假定

1)殘余應力沿板的中面對稱分布,且平行于板的中面;2)殘余應力分布僅隨板的厚度而變化,而在平行板的中面的任一平面內(nèi)是均勻分布的;3)平行于板的中面的任一平面,在剝除前后保持不變。

3.2 修正公式推導

根據(jù)彈性力學假設,在測試板中定點處的殘余應力,可把板當作無限大的板來處理。

現(xiàn)從板的下表面單剝除,設剝除到深度z處,該處的原來應力為δx(z),δy(z),而在該處剝離出露的表面實際應力為δ′x(z),δ′y(z)。在這個剝離過程中釋放的殘余應力為Δδx(z),Δδy(z),從彈性力學得到:

由于剝離是單側進行的,因此將產(chǎn)生附加的彎矩如圖3所示,不難看出:

將以上兩式結合可得:

其中,σ′x(z)和σ′y(z)為剝離層至板厚z處X射線法測得的相互垂直的兩個殘余應力分量;σx(z)和σy(z)為校正后板厚z處的兩個殘余分量;σ′x(ξ)dξ和σ′y(ξ)dξ分別為表面至板厚 z 處X射線法測得的 x和y方向的殘余應力沿厚度方向的分布;h為板總厚度;ξ為積分變量。

3.3 納米化后試件修正結果

對以上測得的數(shù)據(jù)修正,得到以下的修正結果(見表6,表7)。

4 對殘余應力測試結果的分析

殘余應力可以看作是附加在試件上的外荷載。試件中存在殘余拉應力,相當于在材料上預先添加了部分荷載,這就降低了材料的極限強度。試件中存在殘余壓應力,相當于在材料上添加了預應力,當添加荷載時,殘余壓應力和荷載產(chǎn)生抵消,從而提高了材料的極限強度。

表6 經(jīng)納米化處理的試件

表7 未經(jīng)納米化處理的試件

對實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)納米化表面處理的試件表面產(chǎn)生殘余壓應力,并且從表面到中心逐漸遞減,直至中心區(qū)域才產(chǎn)生殘余拉應力;而沒有經(jīng)過納米化處理的試件從表面至中心均呈現(xiàn)殘余拉應力。這說明經(jīng)納米化處理,表面經(jīng)超聲噴丸的連續(xù)撞擊,晶粒組織發(fā)生了塑性變形,導致表面層晶粒位錯密度增高,繼而產(chǎn)生位錯運動、湮滅、重排形成小角度晶界,從而在大晶粒內(nèi)部形成亞晶粒,隨著噴丸繼續(xù)進行亞晶粒之間取向隨機的細小晶粒,細化了晶粒密度,增強了晶粒間的結合力,在材料中產(chǎn)生了殘余壓應力,改變了材料的力學性能,提高了材料的強度。

5 結語

超聲噴丸納米化處理方法是一種歪高材料強度性能的可行處理措施,其處理方法細化了材料表面層的晶粒,改變了材料晶粒的組織結構形式,材料體內(nèi)產(chǎn)生了殘余壓應力,提高了材料的強度,發(fā)揮了材料的潛能。

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