316L不锈钢表面纳米化残余应力对材料强度影响

程国锋 钟蜀晖 车正伟

0 引言

通过对316L不锈钢表面纳米化处理,改善其表面层组织结构,从而提高材料的力学性能。然而在316L不锈钢表面纳米化处理后,内部存在残余应力,这种残余应力影响金属材料的性能。本文就经过纳米化处理和未经过纳米化处理的316L不锈钢进行残余应力的测试,并对结果进行对比、分析。

1 实验材料与方法

目前对材料进行纳米化的处理方法有三种,分别为表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米化方法和混合纳米化方法,在这三种纳米化处理方法中只有表面自身纳米化处理方法,既可解决纳米晶体层与基体之间结合的问题,又可以利用传统的表面加工技术得以广泛的推广。在本文利用的材料是经16 min超声喷丸表面纳米化处理的316L不锈钢板。

为了测试316L不锈钢纳米化处理后残余应力对材料性能的影响,实验中采用了2组试件,试件的尺寸如图1所示。试件的厚度均为1 mm,材料均为316L不锈钢,两组试件分别为:

1)未经处理的316L不锈钢试件;2)经超声喷丸处理16 min,试件表面形成纳米晶组织的316L不锈钢试件;残余应力测试实验均在X-350A型应力测定仪上进行,实验的目的是比较同种原材料在经过纳米化处理后残余应力的改变,进而判断经纳米化处理后材料性能的改变。

材料的化学成分和常规性能见表1,表2。

2 残余应力测试

表1 实验用316L不锈钢化学成分 %

表2 实验用316L不锈钢常规性能表

2.1 测试方法的确定

经喷丸表面纳米化处理的316L不锈钢,材料在外荷载重复作用下,表面的粗晶组织通过不同的方式产生强烈的塑性变形直至细化至纳米量级,这种塑性变形将产生大量的缺陷,如位错、孪晶、层错和剪切带,在材料表面产生梯度性的残余应力。本文就是研究残余应力沿深度的分部。

试验中采用X-350A型应力测定仪对试件的残余应力进行测试,由于在试验中需要对材料沿不同深度的残余应力进行测量,而X-350A型应力测定仪的X射线对钢材的穿透能力在10μ m左右,故采用逐层剥层法对不同深度的残余应力进行测量。

2.2 X-350A型应力测定仪测试参数的确定

测试参数的选取见表3。

表3 测试参数的选取

2.3 测试结果

在检测试件上取3个点(如图2所示),采用金相试样预磨机对试件进行逐层打磨,逐层测试表面的残余应力(见表4,表5)。

表4 表面纳米化试件的试验残余应力数据

3 残余应力的修正

本实验是沿着板厚度方向逐层剥离金属表层,然后测试出露表面的残余应力,但是在剥离过程中部分残余应力被释放,导致被测试区域内的残余应力重新分布,通过实验测得的残余应力不等于该点被剥离前的真实残余应力,因此需要对释放应力所造成的影响通过弹性理论加以修正。

表5 表面未纳米化试件的试验残余应力数据

3.1 基本假定

1)残余应力沿板的中面对称分布,且平行于板的中面;2)残余应力分布仅随板的厚度而变化,而在平行板的中面的任一平面内是均匀分布的;3)平行于板的中面的任一平面,在剥除前后保持不变。

3.2 修正公式推导

根据弹性力学假设,在测试板中定点处的残余应力,可把板当作无限大的板来处理。

现从板的下表面单剥除,设剥除到深度z处,该处的原来应力为δx(z),δy(z),而在该处剥离出露的表面实际应力为δ′x(z),δ′y(z)。在这个剥离过程中释放的残余应力为Δδx(z),Δδy(z),从弹性力学得到:

由于剥离是单侧进行的,因此将产生附加的弯矩如图3所示,不难看出:

将以上两式结合可得:

其中,σ′x(z)和σ′y(z)为剥离层至板厚z处X射线法测得的相互垂直的两个残余应力分量;σx(z)和σy(z)为校正后板厚z处的两个残余分量;σ′x(ξ)dξ和σ′y(ξ)dξ分别为表面至板厚 z 处X射线法测得的 x和y方向的残余应力沿厚度方向的分布;h为板总厚度;ξ为积分变量。

3.3 纳米化后试件修正结果

对以上测得的数据修正,得到以下的修正结果(见表6,表7)。

4 对残余应力测试结果的分析

残余应力可以看作是附加在试件上的外荷载。试件中存在残余拉应力,相当于在材料上预先添加了部分荷载,这就降低了材料的极限强度。试件中存在残余压应力,相当于在材料上添加了预应力,当添加荷载时,残余压应力和荷载产生抵消,从而提高了材料的极限强度。

表6 经纳米化处理的试件

表7 未经纳米化处理的试件

对实验数据分析发现经纳米化表面处理的试件表面产生残余压应力,并且从表面到中心逐渐递减,直至中心区域才产生残余拉应力;而没有经过纳米化处理的试件从表面至中心均呈现残余拉应力。这说明经纳米化处理,表面经超声喷丸的连续撞击,晶粒组织发生了塑性变形,导致表面层晶粒位错密度增高,继而产生位错运动、湮灭、重排形成小角度晶界,从而在大晶粒内部形成亚晶粒,随着喷丸继续进行亚晶粒之间取向随机的细小晶粒,细化了晶粒密度,增强了晶粒间的结合力,在材料中产生了残余压应力,改变了材料的力学性能,提高了材料的强度。

5 结语

超声喷丸纳米化处理方法是一种歪高材料强度性能的可行处理措施,其处理方法细化了材料表面层的晶粒,改变了材料晶粒的组织结构形式,材料体内产生了残余压应力,提高了材料的强度,发挥了材料的潜能。

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