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1Cr12Ni3Mo2VN热强不锈钢具有良好的焊接与成型性能,且中温抗蠕变与抗腐蚀性能较高,其制品目前广泛被应用在500℃以下、有腐蚀且高速运转等条件下,如发动机轴与汽轮机叶片等[1]。但是,工作在高温、高转速、腐蚀、振动、零件形状等条件下极易对该材料制件造成水蚀、应力腐蚀、疲劳裂纹甚至疲劳断裂等问题。湖南株洲某发动机厂发现其生产的发动机主轴工作在恶劣环境过程中经常发生疲劳开裂现象,甚至发生断裂等恶劣后果,给企业带来极大的经济损失。喷丸可改变工件表层残余应力分布状态,在汽轮叶片中通常都能显著提高疲劳性能[2]。 抛丸机 厂家整理

为彻底解决产品疲劳破坏难题,该厂尝试在原有的热处理工艺后引入表面喷丸处理工艺,并模拟真实工况下喷丸工艺的改善效果,故采用先进的X射线衍射无损测试技术测试表层残余应力的变化趋势检验工艺效果。

1试样制备

热强不锈钢主轴试件为准160mm×1000mm的光滑轴,材料牌号为1Cr12Ni3Mo2VN,其化学成分(质量分数,%)为0.13C,0.16Si,0.7Mn,0.018P,0.001S,11.42Cr,2.78Ni,1.67Mo,0.3V,0.036N,残余元素中≤0.02Ti,≤0.15Cu,≤0.01Sb,≤0.01Co,其余Fe。试件经相同的热处理制度:从250℃以下缓慢升至680℃,升温过程不低于6 h,之后保温20 h,炉冷至600℃再出炉空冷。厂方测定并提供的材料力学性能中抗拉强度与屈服强度分别为1260MPa与1021 MPa。

使用气喷机与准0.6 mm直径S230铸钢丸,按HB/Z26-1992对试件分别喷丸处理,喷丸工艺如表1所示。残余应力测量设备为iXRD型便携式衍射仪,有关X射线衍射残余应力测试原理、方法、参数选择等已有大量文献报道[3-4],本文不再累述。影响表面主轴表面疲劳裂纹萌生与扩展的主要为切向应力,对主轴表面切向应力测试表明,采用化学抛光和砂纸打磨+化学抛光两种表面处理方式下测试结果差小于35 MPa,且仪器测试精度为±10 MPa,故认为本实验中采用的表面处理工艺对残余应力影响可忽略。根据工件的轴对称特性,为全面反映试件表面应力分布情况,沿轴周向4个测试点均布,轴向间隔100mm各取2个测量点,测量结果取平均值。

2结果与分析

原始试件经机加工和各喷丸处理件表面均引入了残余压应力,且原始试件SP0经过精度较高的磨削加工,表面粗糙度≤0.4μm,在表面100μm内引入的残余应力值均低于100 MPa。而与磨削相比,各喷丸处理工艺引入了较为可观地残余应力值,残余应力峰值达760MPa左右,显著对试件抗疲劳损坏大有裨益,且残余应力影响深度增加至250μm;且随喷丸强度增大,一方面表面残余应力降低,SP1达618 MPa,而SP2与SP3则分别降至508 MPa与471 MPa,另一方面残余应力影响深度不断加深,SP1为170μm,而SP2与SP3则分别增至220μm与250μm,且虽然残余应力峰值基本不变,但表现出不断内移的趋势,SP1位于30μm,而SP2与SP3则分别移至73μm与95μm。造成这一现象主要由喷丸引入残余应力的特性决定,不断喷射的钢丸冲击试件表面产生塑性变形进而产生加工硬化[5]。在一定的冲击强度下,表层发生完全弹性变形,此时残余应力峰值可达最大(本例中约为0.735倍的屈服强度),继续增加喷射强度或次数反而会造成材料屈服,发生塑性变形,故测量的残余应力减小。另外,残余应力作用深度主要与喷丸能量(受喷射强度与次数等因素影响)成正比,表层不断将冲击能量向内转移,进而塑性变形不断加深。若以高残余应力峰值与大影响深度两个条件判断喷丸工艺的好坏,显然SP3工艺最佳。为考察不同喷丸处理后试件实际使用情况,厂方分别将三种喷丸处理工件在模拟真实工况的测试系统中进行测试。测试系统中环境温度300℃,主轴转速1000r/min,经72h连续运转测试后,采用X射线法再次测量各试件表层残余应力分布

在温度、循环应力、振动等条件下,各喷丸处理的试件在测试过程中均发生残余应力松弛现象,表层残余应力得到重新分布。首先,残余应力峰均下降至630 MPa左右,且随喷丸强度的增强表面残余应力松弛逐渐加大,依次约松弛10%、12%与15%;其次,表层应力峰位置外移,依次约外移5、3和15mm,喷丸强度最低的SP1与最高的SP3外移量大,尤其是SP3其应力峰位置几乎接近SP2。造成这一现象的主要原因是残余应力的敏感系数不同,且主要受表面粗糙度影响,即试件表面冲击凹痕造成的缺口效应随喷丸强度增强而显著增加[6],SP0~SP3四种试件的表面粗糙度分别为0.4、1.6、2.9和4.7μm,局部应力集中系数显著增加,故更易引起残余应力迅速松弛。SP2残余应力松弛量适中,且能够较好地保持应力峰位置,综合分析优于其他两种喷丸工艺,即喷丸强度过小或过大都不利于有效保护主轴试件。 抛丸机 厂家整理

3结论
(1)对1Cr12Ni3Mo2VN热强不锈钢主轴试件采用表面喷丸处理工艺,试件表层引入高强度、大深度的残余压应力,可显著提高其抗疲劳特性。
(2)喷丸强度越大则有可能引入的表面残余应力越小,但应力峰值基本不变,且应力影响深度不断增加,对试件抗疲劳有利,但强度过大时由于表层局部应力集中系数也将显著增大,在高温、应力和振动等环境中应力松弛迅速,持续抗疲劳效果也将大打折扣。
(3)X射线衍射技术可实现微米级表层残余应力的无损测量,得到局部应力分布特性,非常适合于研究表面强化等场合下的微观特性。残余应力分析在热强不锈钢轴中的应用