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噴丸強化的零件表面引入的塑性變形對殘余應力的影響

★更新時間:2019-09-08 08:30☆來源:未知 ☆作者:管理員 ☆已瀏覽:
  

       噴丸強化的零件表面引入的塑性變形對殘余應力的影響,噴丸在零件表面引入的殘余壓應力層是實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力,從而可以使零件在疲勞、腐蝕疲勞和應力腐蝕的環境下提高其服役性能。因此,任何能夠影響表面應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部的殘余應力水平。通常可以通過消除應力退火的方法降低零件表面的有害拉應力。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力,因此在一些標準規范中,對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,小的塑性應變能夠很大程度地影響噴丸后零件的殘余應力分布。有研究指出,對于噴丸后鋁合金(AlCu5Mg2),壓和拉塑性應變可以改變表面的應力水平。在材料表面上施加一個小的拉塑性應變可以把材料表層的原始殘余壓應力改變為殘余拉應力。從另一方面來講,壓塑性應變僅僅降低了表面殘余壓應力水平,而未能改變壓應力的符號。

       本篇文章主要關注塑性應變對已噴丸材料的影響。本篇文章只考慮所施加的拉應變,這是因為拉應變比壓應變的效果要大的多。選擇兩種常見的純元素材料,銅和鎳以及三種鋼鐵材料-低碳鋼(美國條鋼牌號B)、碳素鋼(BS EN8)和低合金鋼(BS EN30B)。對于兩種純元素材料,檢測了其次表層的殘余應力分布變化。采用相同型號的丸料對以上試塊的兩個主要的面進行噴丸強化。

試驗細節

       用于研究的幾種材料分別為銅(99.99%),鎳(0級,99.92%鎳),低碳鋼(美國條鋼牌號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行了消除應力退火。銅和鎳試樣采用SAE 70的丸料以5N(0.127mmN)的強度進行噴丸。三種鋼鐵材料的試樣采用SAE 110的丸料以8A2(0.203mmA,A2型試片)的強度進行噴丸。

       把伸長計依次放入到試樣中,采用電子拉伸測試設備對試樣施加拉塑性應變。對于每種材料,分別對一系列的試樣施加不同的塑性應變。每一個試樣的應變可以通過負載/延伸曲線進行估算。準確的塑性應變可使用移測顯微鏡通過每個微小的鉆石形狀的壓痕得出。

       對銅和鎳試樣的次表層殘余應力測試需要對材料進行連續均勻的去除。可以采用合適的溶液用化學拋光的方法實現。試驗中只對試樣的一個面進行化學拋光并對材料去除后對殘余應力的影響進行修正。

試驗和結果

       關于所施加的塑性應變對表面殘余應力水平的影響的研究結果如圖1~5所示。測試每個張力試樣在拉伸伸展前后的表面應力水平。對于所研究的五種材料,均測試了其噴丸后的應力分布。該應力分布的分散特征均可歸因于噴丸的變化性,即殘余應力其本身的測試精度小于分散度的四分之一。所有五個應力/塑性應變曲線的形狀均非常相似。一個共同的特征就是隨著所施加的塑性應變的增加,殘余應力水平很快地降低到了零應力。應力變為零所對應的塑性應變可以稱之為“臨界應變”。銅、鎳、低碳鋼(美國條鋼牌號B)、碳素鋼(BS EN8)、和低合金鋼(BS EN30B)的臨界應變值分別為0.30%、0.275%、1.1%、1.25%和0.30%。第二個共同特征就是在臨界應變之后,隨著塑性應變的進一步增加,試樣表面的應力變為殘余拉應力。在圖1~5中,均存在一個z大的殘余拉應力點,該點過后,隨著塑性應變的增加,殘余拉應力水平下降。銅、鎳、低碳鋼(美國條鋼牌號B)、碳素鋼(BS EN8)、和低合金鋼(BS EN30B)的z大拉應力值分別+160、+185、+375、+300和+260MPa。

       在銅和鎳材料上對殘余應力的進一步展開研究(包括應力層的連續去除)。研究結果如圖6和圖7所示。結果顯示出了一些有趣的特征。銅和鎳噴丸后的殘余壓應力層深均為150μm左右。該層深過后,就出現了殘余拉應力。在施加應變的情況下,臨界應變過后,其應力分布與噴丸狀態相反,即表層為拉應力層,而內部為與之平衡的壓應力層。可以推斷出,隨著臨界應變的增加,表面拉應力層深會隨之增加。對銅試樣施加的應變為0.31%時(略微超過臨界應變值0.3%),其應力層深為50μm,而對鎳試樣施加的應變為1.31%時(較多超過臨界應變值0.275%),其應力層深為100μm。對銅試樣施加次臨界應變0.25%時,則其應力狀態顯示為噴丸后狀態和應變1.31%狀態的中間狀態。雖然其表層仍未壓應力狀態,但在次表層中顯示出了應力水平較低。

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

1.png1.噴丸后銅材料的殘余應力/塑性延伸曲線

2.png2. 噴丸后鎳材料的殘余應力/塑性延伸曲線

3.png3. 噴丸后低碳鋼(美國條鋼牌號B0.05%)的殘余應力/塑性延伸曲線

4.png4. 噴丸后碳素鋼(BS EN8)的殘余應力/塑性延伸曲線

5.png5.噴丸后低合金鋼(BS EN30B)的殘余應力/塑性延伸曲線

6.png6. 噴丸后以及應變后銅材料的殘余應力層深分布

7.png7. 噴丸后以及應變后鎳材料的殘余應力層深分布


討論和結論

       所觀察到的拉塑性應變對殘余應力的影響結果與其它報道的研究結果非常一致。因此可以推斷如果臨界拉塑性應變進一步增加,噴丸引入的表面殘余壓應力有可能會發生反轉成為殘余拉應力。這一結論非常重要,因為噴丸后引入的殘余壓應力的優勢在一定條件下可能會消失。如果零件表面存在殘余拉應力,那么對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拉塑性應變的環境中也不是沒有可能的。零件的偶然損害有可能會發生。變形的零件可能會需要進行校正。如果可能的話,上述情況應該要避免。有時,重新噴丸的方法會被用于使零件保持一定殘余壓應力層深。

       從次表層殘余應力的研究結果來看,應力反轉并不會限定在表層。所引入的殘余拉應力的層深也可以與原始的壓應力層深達到相似的狀態。

       從次表層殘余應力變化所得到的結果非常有限,只能具體地、定量地來解釋試驗結果。如圖8所示,該圖為簡單的機理解釋。圖中顯示了噴丸后的應力分布為σR以及沿截面的屈服應力γ的變化分布。表面的屈服應力要稍高一些。主要是因為噴丸帶來的冷作硬化的效應。施加任意的拉應力σA和σR,兩者結合形成σC的應力分布。當σA達到一個臨界值,那么σC會達到與內部屈服應力相同的值。因此其內部就會發生塑性拉伸變形。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力發展基本機理的均勻塑性變形的典型狀態。內部的塑性延伸變形被表層的拉應力所抵抗。內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表面增加的拉應力水平和層深表現出來。

       總之,需要指出的是,在噴丸后的材料中,對于塑性應變對殘余應力分布的影響還有相當廣闊的領域值得去探究。

8.png8.噴丸后試樣經過拉伸應變后的應力疊加圖

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