牛建新，戴峰澤，裴智鵬，鄭越洋，高惠明

(1. 托倫斯精密機(jī)械(上海)有限公司，上海 200120； 2. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3. 國家模具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 昆山 215300)

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多機(jī)械設(shè)備的零件以接觸的方式進(jìn)行作業(yè)，例如汽車、機(jī)床等機(jī)械以及交通運(yùn)輸業(yè)中用途廣泛的齒輪、鐵軌和滾動軸承等.這類零件的表面長期受交變壓應(yīng)力作用，發(fā)生疲勞破壞，這種疲勞稱為接觸疲勞[1-3].與普通軸承相比，工作過程中不銹鋼軸承工作穩(wěn)定，噪聲小，耐腐蝕[4-6].目前不銹鋼軸承的材料主要以440不銹鋼、316不銹鋼和304不銹鋼為主[7].

殘余壓應(yīng)力對改善接觸疲勞壽命有重要作用.REGO等[8]的研究表明殘余應(yīng)力水平和接觸疲勞壽命具有較強(qiáng)的相關(guān)性，殘余拉應(yīng)力會加劇疲勞裂紋的擴(kuò)展，因此降低殘余拉應(yīng)力能夠提高接觸疲勞性能；文獻(xiàn)[9-11]的研究表明噴丸可以在試樣表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，能降低接觸運(yùn)動中的殘余拉應(yīng)力值，提高疲勞性能.激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peening，LSP)技術(shù)是一種新型的表面改性技術(shù)，與噴丸類似，能在金屬表面引入殘余壓應(yīng)力，促使晶粒細(xì)化，提高金屬材料表面的機(jī)械性能[12-13]、疲勞性能[14-15]和抗腐蝕性能[16].與機(jī)械噴丸相比，激光沖擊能強(qiáng)化誘導(dǎo)幅值更大、深度更深的殘余壓應(yīng)力層[17]，且具有加工參數(shù)方便控制、靈活性較高等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種極具應(yīng)用前景的表面強(qiáng)化方式.LUONG等[18]分別對噴丸和激光沖擊強(qiáng)化后的7075-T 7451鋁合金進(jìn)行了高周疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在中等應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平下，激光沖擊強(qiáng)化處理后的試樣的疲勞表現(xiàn)性能均高于噴丸后的試樣，這都顯示了激光沖擊強(qiáng)化相比傳統(tǒng)噴丸的優(yōu)越性.

316不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，因添加了Mo元素，其耐蝕性和高溫強(qiáng)度有較大的提高.文中以316不銹鋼為研究對象，對其進(jìn)行LSP試驗(yàn)，對沖擊后的試樣表面進(jìn)行機(jī)械性能測試，并進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)，分析疲勞破壞原理.

1 激光沖擊及試樣表征

1.1 激光沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)用316不銹鋼的化學(xué)成分主要包括C，Si，Mn，P，S，Ni，Cr，Mo等，其相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.080%，1.000%，2.000%，0.045%，0.030%，10.00%～18.00%，16.00%～18.00%，2.00%～3.00%.根據(jù)YB/T 5345—2006《金屬材料滾動接觸疲勞試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)時使用2個試樣相對滾動，主要研究主試樣.本次試驗(yàn)采用線接觸，主試樣主體部分直徑為54 mm，試驗(yàn)區(qū)域圓面直徑為60 mm，試驗(yàn)區(qū)域?qū)挾葹? mm，陪試樣外徑為60 mm.

LSP強(qiáng)化方案設(shè)計(jì)如圖1所示，其中圖1a為整體方案簡圖，表示主試樣主視圖，黑色矩形為試驗(yàn)區(qū)域的圓弧面，寬度為5 mm，小寫字母“a” “b”表示沖擊區(qū)域，大寫字母“A”表示未沖擊區(qū)域，數(shù)字標(biāo)志表示沖擊區(qū)域的激光能量，每個主試樣沖擊4個區(qū)域，能量按順序依次為3，4，5，6 J；圖1b為沖擊參數(shù)；圖1c為主試樣實(shí)物圖，光斑直徑為3 mm，沖擊路徑軸向搭接率為50%，切向搭接率為25%，沖擊路徑的移動方式按照圖示的“S”型，光斑數(shù)量依次為4個和3個交替，共有5列，矩形區(qū)域長為3×4=12 mm，沖擊區(qū)域?yàn)?2 mm×5 mm的矩形，每塊主試樣上一共有4塊這樣的區(qū)域；圖1d為主試樣激光沖擊之后的試樣表面.

圖1 激光沖擊方案設(shè)計(jì)

1.2 機(jī)械性能測試

1.2.1 表面粗糙度測量

沿著試樣沖擊區(qū)域表面的切線方向取一條長約200 μm的直線路徑，在該路徑上大約每0.5 μm取1點(diǎn)測量其相對于基體的高度.表1為計(jì)算后不同能量激光沖擊處理后試樣的表面粗糙度參數(shù)，表中Rz為微觀不平度十點(diǎn)高度，Ra為輪廓算術(shù)平均偏差，Ry為輪廓最大高度.可以看出，激光沖擊能使316不銹鋼試樣表面粗糙增大，且激光能量越大，粗糙度也越大.

表1 不同激光能量處理的試樣表面粗糙度性能參數(shù)Tab.1 Surface roughness parameters of specimen under different energy of LSP

1.2.2 顯微硬度測試

圖2為激光沖擊后的試樣和基體表面顯微硬度HV的分布，其中橫坐標(biāo)P表示測量點(diǎn)序號.可以看出，LSP能夠有效提高316不銹鋼試樣表面的顯微硬度，顯微硬度隨激光能量的增大而增大.

圖2 激光沖擊后表面顯微硬度

圖3為316不銹鋼試樣沿深度方向的顯微硬度分布，其中橫坐標(biāo)l為沿深度方向距離.可以看出：未受激光沖擊的試樣顯微硬度HV在深度方向上基本保持一致，約為179.34 MPa；LSP試樣的顯微硬度在深度方向均呈梯度下降，隨著深度的增大，顯微硬度逐步減小，最終與基體一致.

圖3 激光沖擊后深度方向顯微硬度圖Fig.3 Surface micro-hardness along depth direction diagram after LSP

1.2.3 殘余應(yīng)力測試

在不同處理區(qū)域上隨機(jī)選擇6個測量點(diǎn)，分別沿切向和軸向測量殘余應(yīng)力σ，結(jié)果如表2所示，其中左側(cè)為切向測量值，右側(cè)為軸向測量值.可以看出：激光沖擊前和沖擊后的試樣基體表面殘余應(yīng)力在切向和軸向方向的差值都很??；沖擊前的試樣基體表面殘余應(yīng)力值為正，表明試樣原來表面為殘余拉應(yīng)力，而經(jīng)過LSP后應(yīng)力值為負(fù)，說明LSP使試樣表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力.

表2 激光沖擊后的殘余應(yīng)力測試

圖4為根據(jù)表2繪制的激光沖擊后的平均殘余應(yīng)力曲線，可以看出，激光沖擊能量e為3～6 J時，殘余壓應(yīng)力與激光能量基本成正比.

圖4 激光沖擊后的平均殘余應(yīng)力

2 接觸疲勞試驗(yàn)

滾動接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)型號為MJP-40，試驗(yàn)條件為無潤滑，滑差率5%，徑向力加載，主試樣轉(zhuǎn)速為1 500 r/min.對7對試樣設(shè)置不同的疲勞應(yīng)力值，考慮研究金屬材料S-N曲線在高應(yīng)力時疲勞壽命區(qū)別較小，低應(yīng)力時疲勞壽命區(qū)別較大的規(guī)律[19-20]，將預(yù)設(shè)的疲勞應(yīng)力偏向較低的應(yīng)力，設(shè)置的加載力分別為1 500，1 300，1 200，1 150，1 100，1 065，1 045 N.待7對試樣全部達(dá)到預(yù)設(shè)的疲勞狀態(tài)后，記錄滾動接觸疲勞壽命.由于試驗(yàn)設(shè)置為加載壓力值，繪制S-N曲線需要換算為相應(yīng)應(yīng)力值，可根據(jù)式(1)進(jìn)行換算，換算結(jié)果如表3所示，表中N為循環(huán)次數(shù).

表3 疲勞壽命測試試驗(yàn)結(jié)果

(1)

其中

(2)

式中：S為所需應(yīng)力值；K為換算系數(shù)，取0.418；F為所施加的力；E為材料的楊氏模量.

為了掌握激光沖擊引起的表面粗糙度變化對接觸疲勞性能的影響，對另外相同的14個區(qū)域進(jìn)行激光沖擊，而采取的沖擊方案與圖1中的沖擊方案有所不同：將激光能量全部改成5 J，同時增加4個沖擊區(qū)域，共有8個沖擊區(qū)域，均布在接觸面的周圍，沖擊區(qū)域與沖擊區(qū)域之間相隔較小，幾乎將整個接觸面包覆.將這14個區(qū)域分成2組，每組7個，其中一組7個試樣進(jìn)行拋光，然后2組試樣再次進(jìn)行滾動接觸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件一致，預(yù)設(shè)加速度傳感器使2次試驗(yàn)達(dá)到相同程度疲勞破壞.表4為此次試驗(yàn)的結(jié)果，可以看出，有無拋光對接觸疲勞壽命幾乎沒有影響.

根據(jù)表4中的結(jié)果，將其與表3中的疲勞壽命做差可得表5，表中ΔN為循環(huán)次數(shù)差，ε為增量百分率.可以看出，激光沖擊強(qiáng)化對316不銹鋼的滾動接觸疲勞壽命所提升.

表5 激光沖擊前后滾動接觸疲勞壽命差值Tab.5 Difference of rolling contact fatigue life before and after LSP

將表5中的數(shù)據(jù)繪制成如圖5所示的S-N曲線，圖中藍(lán)色虛線表示同一應(yīng)力載荷下，激光沖擊與未進(jìn)行激光沖擊的試樣的接觸疲勞壽命的差值，其長度越長，差值越大.

圖5 試樣激光沖擊前后的S-N曲線對比Fig.5 Comparison of S-N curves between samples before and after LSP

由圖5可以看出：激光沖擊強(qiáng)化能夠提高316不銹鋼的滾動接觸疲勞壽命，當(dāng)接觸應(yīng)力值較小時，接觸疲勞壽命增量越多，且增量隨著應(yīng)力值的減小而提高；激光沖擊對滾動接觸疲勞壽命的百分比隨著接觸應(yīng)力值的減小而增大，即激光沖擊處理對應(yīng)力較小時的滾動接觸疲勞壽命的增強(qiáng)作用最為顯著.

3 結(jié) 論

對316不銹鋼進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化，測試了激光沖擊后材料的機(jī)械性能和滾動接觸疲勞試驗(yàn)，并對比了有無激光沖擊處理下試樣接觸疲勞試驗(yàn)的S-N曲線，得到結(jié)論如下：

1) LSP使316不銹鋼表面產(chǎn)生塑性變形，粗糙度隨激光單脈沖能量的增大而變大.

2) LSP能夠有效提高316不銹鋼試樣表面的顯微硬度，單脈沖能量越大，顯微硬度的提升量也越大，當(dāng)激光能量為6 J時硬度提升了20%，激光能量為6 J時可產(chǎn)生最大的0.9 mm影響層.

3) LSP能有效提高316不銹鋼的接觸疲勞壽命，應(yīng)力值較小時，接觸疲勞壽命提升較為顯著.