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摘 要: 40C r钢经 840℃油淬 +500℃回火后制备三点弯曲疲劳试样, 在旋转弯曲疲劳试验机上测定不同喷丸处理及喷丸后磨削处理的试样在应力比 R=0.05 条件下 2×107 循环周次的表象疲劳极限。 结合试样表面残余应力分布及疲劳源的位置, 分析其变化规律, 用疲劳裂纹萌生的微细观过程理论对此作了合理清晰解释。 探讨了喷丸工艺优化问题, 并指出对*些零件应在喷丸后进行磨削处理。本文由 抛丸机 厂家整理
关键词: 喷丸; 疲劳极限

实际使用的零件大部分承受交变弯曲或交变扭转载荷的作用,表面层所承受的应力较大,而且由于材料表面易受外界条件的影响, 因此往往表面成了疲劳裂纹的策源地。 喷丸强化能有效地提高工件的疲劳极限, 但喷丸强化的理论不完善, *般认为, 这是由于在试样表层引入残余压应力场,其与载荷造成的拉应力叠加, 降低了工件表面实际的平均应力。 但在研究中发现,喷丸强化件的疲劳源可能在表面, 也可能转移到表面强化层以下的内部,此处的材料并未得到强化,而且还存在残余拉应力,但零件的疲劳极限仍得到提高。 本文通过对 40C r 钢表面喷丸强化前后疲劳极限的研究,探讨了喷丸强化疲劳极限优化的问题。
1 试验方法
试验用 40C r 钢的化学成分 ( 质量分数, % )为: 0.41C , 0.19Si, 0.72M n, 1.0C r, 余 Fe。 热处理规范为 840℃油淬 +500℃回火, 常温拉伸性能为:σ0.2=1 058 M Pa,σb=1 118 M Pa,δ5=14.2% ,ψ=50% 。
把试验用材加工成 85 m m ×14 m m ×12 m m 的三点弯曲疲劳试样, 分 5 组, 每组 10 根, 其处理规范见表 1。 疲劳试验在高频疲劳试验机上进行, 用升降法测定 2×107 次循环的弯曲表象疲劳极限( σw) ,应力比 R 为 0.05。 在扫描电镜( SEM ) 下观察各组疲劳试验中 σw 较高试样的断口, 确定疲劳裂纹源位置。 将试样逐层电解抛光, 在 X 射线应变仪上测定试样表层的残余应力场。
表 1 疲劳试样的处理规范

2 结果与分析
疲劳试验结果见表 2。 可看出, 40C r钢 840℃淬火 500℃回火 后 的 表 面 疲 劳 极 限 是 819 M Pa,
组别 丸粒直径 /m m 喷丸强度 /M Pa 磨削量 /μm

表 2 疲劳试验结果

而经喷丸处理后疲劳极限得到提高, 用小球( 0.55m m ) 和低强度时, 表面疲劳极限达到990 M Pa, 疲劳源有的在表面有的在内部, 但用更高强度和更大球喷丸后其表面疲劳极限反而减小且疲劳裂纹源到了表面; 喷丸后经过表面磨削的试样其表面疲劳极限与未磨削相比都有提高, 而且其疲劳源都在内部。 其断口扫描形貌如图 1 所示。

图 1 不同组别疲劳试样的疲劳断口形貌

以上结果表明, 适度喷丸强化有助于提高材料的表面疲劳极限。疲劳断口分析表明, 表面磨削的试样其疲劳裂纹源转移到样品内部且疲劳极限也有所提高。 从疲劳裂纹萌生的微细 观过程理论[1, 4]看, 疲劳裂纹虽萌生于个别薄弱晶粒内, 但出现包含相当多晶粒的细观先屈服小区是疲劳裂纹萌生的关键, 而细观先屈服区*般优先在试样的薄弱区或应力、应变集中区形成。 *般情况下,表面区域的晶粒只受到内部晶粒的制约, 形成细观屈服区的临界应力较低, 因此疲劳源都在表面形成, 测定的疲劳极限为“表面疲劳极限”; 但经过表面强化后, 疲劳源在表面的萌生受到遏制, 此时, 疲劳源既可能在表面形成, 也可能在强化层以下的内部形成; 但要在内部形成细观屈服区, 其极限应力即“内部疲劳极限”要高于表面疲劳极限。
由于内部疲劳极限要大于表面疲劳极限, 对于未经喷丸处理的样品来说表面就是疲劳裂纹萌生的薄弱环节。 而喷丸后试样的表面存在较大的残余压应力, 抵消了部分交变载荷应力的作用, 即使材料本身的表面疲劳极限没有变化, 仍会使原来薄弱的表面形成疲劳源所需的载荷应力增加,使裂纹萌生困难; 同时在残余压应力场的下面会出现残余拉应力区, 这时使此处形成疲劳源所需的载荷应力就会降低, 结果使内部区域成为薄弱环节, 疲劳源被转移到试样内部, 表面被表观强化, 所以试样的表象疲劳极限高于未喷丸的试样。
喷丸虽然能提高疲劳极限, 但却造成表面粗糙度的变化和疲劳源位置的不确定, 过度的喷丸反而使表象疲劳极限降低。 当喷丸强度小时, 残余应力场深度较小, 表面粗糙度变化不大, 表面残余压应力占主导地位, 可能将疲劳裂纹源转移到样品里面; 当喷丸强度较大时, 表面粗糙度变化很大, 表面产生了应变或应力集中, 形成了裂纹萌生的薄弱区, 使试样的表象疲劳极限降低, 结果使得疲劳源在表面更容易形成。 喷丸后表面磨削的试样表明, 磨削后试样的表面粗糙度降低, 疲劳源又被推到样品的内部。
由以上分析可见, 喷丸强化是为了在表面层引入对疲劳性能 有益的* 定深度的残 余压应力场, 并使疲劳源转移到强化层以下的内部。所以在实际工程应用上选择合理的喷丸规范, 使材料发挥其较佳性能, 对*些零件可采用较强的喷丸处理后再进行磨削。
3 结论
( 1) 喷丸有利于提高试样的表象疲劳极限,但过度喷丸后使表面粗糙度增加, 导致表象疲劳极限有所降低且其疲劳源出现在表面。
( 2) 喷丸试样再经表面磨削后表象疲劳极限又得到进*步提高, 使疲劳源被转移到试样内部。本文由 抛丸机 厂家整理
( 3) 从疲劳性能方面提出表面强化工艺的优化方案: 若表面强化后疲劳裂纹源位于表面强化层下未经强化的基体, 则此表面强化工艺已达到优化。