喷丸对30CrMnSiNi2A合金钢表层组织性能的影响及其微观机理

李占明， 朱有利， 谢俊峰， 杜晓坤， 陈海峰， 潘洪海

(1. 装甲兵工程学院 装备再制造工程系，北京100072;2. 装甲兵工程学院 科研部，北京100072;3. 中国人民解放军驻沈阳飞机工业(集团)有限公司军事代表室，沈阳110034)

30CrMnSiNi2A 具有较高的强度、韧性和塑性，是航空航天领域应用最为广泛的合金之一，主要用作起落架、平尾大轴、发动机架以及高压连接件等重要零部件，这些零件在交变载荷的作用下容易发生疲劳失效［1］。因疲劳裂纹一般萌生于零件表面，所以喷丸、滚压、超声冲击和激光冲击等机械表面强化技术就受到了国内外专家和学者的青睐［2～5］。喷丸(Shot Peening)处理是利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击工件表面，使表层材料在再结晶温度下产生弹、塑性变形，从而呈现出理想的组织结构、加工硬化和残余应力分布状态，从而提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能的一种表面处理方法。使用喷丸处理改善金属结构的疲劳性能早已被人们所熟知，并已在航空航天、机械、造船、铁路运输等诸多领域得到实际应用［6，7］。而关于喷丸强化处理对30CrMnSiNi2A 合金钢影响的研究较少，本工作采用扫描电镜和透射电镜观察了试样表层的显微组织结构，利用纳米压痕仪和X 射线应力仪测试了喷丸处理和未处理试样表层纳米显微硬度和残余应力沿厚度方向的分布，分析了喷丸处理30CrMnSiNi2A 合金钢的晶粒细化机制及其对材料加工硬化和残余应力的影响。

1 实验材料与方法

实验材料为淬火+回火态30CrMnSiNi2A 合金钢，材料成分(质量分数/%)为C 0. 26 ～0. 34，Si 0.9 ～1.2，Mn 1.0 ～1.3，S 0.015，P 0.025，Ni 1.4 ～1.8，Cr 0.9 ～1.2，Cu 0.25，W 0.20，Mo 0.15，Fe 余量;采用气动式喷丸设备制备了30CrMnSiNi2A 合金钢喷丸强化处理试样，空气压力0.6 MPa，钢丸直径为0.5 mm，覆盖率超过100%，强度为0.4 A;经喷丸强化处理和未处理的试样经研磨抛光后，用4%硝酸酒精浸蚀约5 s 后采用Nova NanoSEM 650 型场发射扫描电子显微镜观察截面组织形貌，并通过JEM-2100 型高分辨率透射电镜观察喷丸强化处理后试样的表层微观结构;纳米显微硬度的测试采用Nano Test 600 型多功能纳米材料性能测仪，压头为金刚石制成的正三棱锥形Berkovich 压头，加载载荷为30 mN，保荷时间为15 s，测试间距5 μm;利用X-350 型X 射线应力测定仪，通过电解抛光法逐层测试试样表层的残余应力，电解抛光液选择饱和氯化铵溶液+ 3% 甘油(体积比)，每道抛光深度为50 μm。

2 实验结果与分析

2.1 强化层的微观组织结构观察

图1 是未处理和经喷丸强化处理30CrMnSiNi2A合金钢试样断面 SEM 照片，由图1a 可见，30CrMnSiNi2A 合金钢淬火+回火后的组织主要为板条马氏体、少量的下贝氏体、孪晶及残余奥氏体。从图2b 可以看出，经喷丸处理后，在试样表面形成了一厚度约为30 μm 的致密塑性变形层，试样表层金属晶粒因塑性变形而被拉长，形成了平行于表面的纤维状组织结构。

图1 喷丸强化处理前后试件的断面形貌(a)未处理;(b)处理Fig.1 Cross-section morphology of specimen (a)unpeened specimen;(b)peened specimen

通过扫描电镜很难观察到试样近表面清晰的图像，故采用线切割技术，将喷丸处理后的试样切割成直径为3 mm 的圆形试样，而后分别采用1500 #、2000 #砂纸以及1 μm 的金刚石抛光膏单面磨制试样，将试样磨制至30 ～40 μm 厚度，采用离子减薄机将试样减薄至100 ～200 nm，采用透射电镜观察试样表面的组织结构，图2 是试样表面的TEM 照片及相应的选区电子衍射谱(SAED)。由试样的TEM明场和暗场像观察分析可知，喷丸处理在试样表面层形成了超细等轴晶体，晶粒直径约为5 ～135 nm，平均直径约为46 nm，晶体取向呈随机分布，表明位错运动是其结构变化的主要原因。利用试样选区电子衍射谱(SAED)形成的连续完整衍射环，根据多晶体电子衍射花样标定方法，对表层纳米组织进行成分标定。标定结果表明，表层纳米组织的主要成分为具有体心立方(bcc)晶格结构的α-马氏体相。

此前，I. Nikitin 和张洪旺等人分别采用冷深滚技术(Deep Rolling)、表面机械研磨处理(Surface Mechanical Attrition Treatment)对AISI304 奥氏体不锈钢进行表面纳米化处理，发现强烈塑性变形可以诱导马氏体相变［8，9］。喷丸处理后，试样表层和次表层发生了强烈塑性变形，会诱发残余奥氏体等组织向马氏体相转变，形成以α-马氏体相为主要表层组织。高倍透射电镜观察发现，在试样的纳米晶粒内部存在大量的高密度位错，如图3 所示。以上分析表明，喷丸处理在试样表层产生了剧烈的塑性变形，使位错增殖、滑移、交割和缠结最终导致晶粒细化和位错密度增加，形变诱导晶粒细化是其主要的晶粒细化机制。

2.2 强化层纳米显微硬度测试

硬度是反映材料力学性能的重要指标，是最常用的加工硬化表征手段之一，图4 是未处理和喷丸处理后的30CrMnSiNi2A 合金钢试样断面纳米显微硬度的分布图。可以看出，喷丸处理后，试样表面层的最高纳米显微硬度为7.08 GPa，随着深度的进一步增加，硬度值逐渐降低，大约距表面为30 μm 时趋于稳定，此时硬度值约为6. 59 GPa，从表面到30 μm的范围内，未处理试样平均纳米显微硬度为6.51 GPa，而 喷 丸 处 理 后 为6. 83 GPa，提 高 了4.9%，表明加工硬化量较小。喷丸强化处理后，材料表面显微硬度的变化可用经典的Hall-Petch 模型来加以解释［10］。金属材料的硬度和晶粒尺寸、位错密度之间存在一定的关系，根据加工硬化(Work Hardening)理论，喷丸处理导致的塑性变形量越大，变形金属的强度和硬度就越高，而塑性韧性将降低。从微观结构上来看，随着喷丸的进行，试样表面的位错密度会不断增加，位错之间的距离随之减少，位错间的交互作用增强，形成大量位错缠结、位错胞和不动位错等位错运动的障碍，造成位错运动阻力不断增大，使材料变形抗力增加，从而提高了30CrMnSiNi2A 合金钢试样表面的显微硬度，这也有利于材料耐磨性能的提高。

图2 喷丸强化处理试件表层微观组织结构 (a)TEM 明场像及选区电子衍射花样;(b)TEM 暗场像Fig.2 Microstructure of specimen after shot peening (a)TEM bright field image and the corresponding SAED;(b)TEM dark field image

图3 喷丸强化处理试件表层微观组织结构Fig.3 Microstructure of specimen after shot peening

图4 喷丸强化处理试件表层微观组织结构Fig.4 Microstructure of specimen after shot peening

2.3 强化层的残余应力测试

残余应力是去除外部因素作用后，存在于物体内部保持平衡的一种内应力。分布合理的残余压应力可能成为提高机械零部件疲劳强度、抗应力腐蚀能力的主要因素，喷丸强化处理的主要强化机制之一就是在工件表面引入一定深度的残余压应力层，从而抑制疲劳裂纹的萌生，减小疲劳裂纹的扩展，提高工件的使用寿命［11］。喷丸处理与未处理的30CrMnSiNi2A 合金钢试样的残余应力场分布如图5所示。从图中可以看出，车削加工表面所产生的压残余应力数值较小，最大值为－433 MPa，而且残余压应力层深度较浅，大约为150 μm;经喷丸处理后试样表面所产生的残余应力数值较大，最大值为－1050 MPa，且分布深度增加，大约为280 μm。残余应力产生的本质原因是金属内部晶粒发生了不均匀的塑性变形，晶粒内部一部分未发生塑性变形，而另一部分发生了塑性变形，未发生塑性变形部分与已发生塑性变形部分之间相互牵制就会形成弹性应力场。因此，可以说不均匀塑性变形在力方面的体现为残余应力，而在形状方面的体现为晶格畸变，残余应力的本质就是晶格畸变［12］。喷丸强化处理在工件表面引入了剧烈的塑性变形，导致晶粒细化、位错密度增加，形成了大量的晶界、亚晶界和位错缠结等，引起晶格畸变增加，形成了一定深度的残余压应力层。值得注意的是，残余应力本身在激活能的作用下容易由亚稳态向稳态转变，在承受疲劳载荷时容易发生应力松弛。而喷丸处理后，材料表层组织结构的细化及带来的加工硬化具有更好的稳定性，对改善抗疲劳性能具有更加实际的价值。

图5 喷丸处理前后试件表面的残余应力分布曲线Fig.5 Distribution of residual stress along depth from surface before and after shot peening

3 结论

(1)30CrMnSiNi2A 合金钢淬火+回火后的组织主要为板条马氏体、少量的下贝氏体、孪晶及残余奥氏体，经喷丸处理后，在距材料表面约30 μm 的范围内形成了致密塑性变形层，变形层内晶粒明显细化，晶粒直径约为5 ～135 nm，平均直径约为46 nm，晶体取向呈随机分布;

(2)经喷丸处理后，30CrMnSiNi2A 合金钢试样表面层的最高纳米显微硬度为7.08 GPa，随着深度的进一步增加，硬度值逐渐降低，距表面为30 μm时趋于稳定，该范围内，喷丸处理使试样加工硬化量提高了4.9%;

(3)车削加工的30CrMnSiNi2A 合金钢试样表面压残余应力数值较小，最大值为－433 MPa，且残余压应力层深度较浅，约为150 μm;喷丸处理在试样表面引入了深度约为280 μm 的残余压应力层，最大值为－1050 MPa。

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