表面强化对不锈钢表面完整性的影响

黄明月　李希同　李海　李世豪

摘 要：喷丸强化使最简单的表面强化工艺，对不锈钢316进行喷丸强化，综述了喷丸强化技术对材料表层残余应力分布、显微组织结构、表面粗糙度和表层硬度分布等表面完整性因素影响的研究，以提高表面完整性为目的。通过对表面完整性参数的研究，得出喷丸强化使表面完整性得以提高。

关键词：喷丸强化；表面完整性；残余应力；显微组织结构；表面粗糙度；表层硬度

1 引言

金属材料的物理和化学性能，疲劳等很大程度上都取决于材料本身的表面完整性。表面完整性指的是表面粗糙度，表面层硬度，表层显微结构，残余应力等状态的好坏。参考大量的重工业零部件失效形式，属于疲劳失效的约占了百分之80，而材料的表面完整性则是影响材料疲劳性能的重要因素之一。表面完整性是零件加工后表面纹理和表面层冶金质量，又称为表面层质量，包括微观结构，表层硬度，表面粗糙度，残余应力等参数。由于目前的不锈钢316不能满足市场性能的需要，需要对其进行表面强化处理，使其提高表面表面完整性能，进而提高材料的寿命，抗疲劳强度等。

2 研究意义

不锈钢的生产和销售是我国出口经济的重要组成部分，它对我国的经济发展做出了巨大的贡献。但是从目前的不锈钢出口贸易来看，我国的不锈钢出口遇到了很大的阻力。从近几年来看，国外一直频繁的传来对我国不锈钢的产品进行双规的新闻报道，这对于我国的不锈钢铸造产业来讲有很大的影响，出口是我国不锈钢产业发展的一部分，在其产业发展中占有很大的市场份额，出现此情况，我国不锈钢产业应该不断提高产品质量，大力发展改良不锈钢的性能，才能在世界贸易中占据主导地位，立于不败之地。基于此本试验研究提高不锈钢316的材料性能，不断地提高不锈钢的表面完整性，进而提高其疲劳性能，延长寿命，提高不锈钢的核心竞争力，也为本民族不锈钢发展作出自己的贡献。

3 主要工作

本实验采用喷丸强化处理，因为喷丸强化是目前最简单也是企业应用最为广泛的一种处理方法。喷丸强化技术借助高速运动的弹丸流或者高能冲击波不断撞击材料的表面，因为其是一种材料表面的冷加工方法，因而使材料表层发生弹性塑性变形，喷丸后材料会表现出较好的表面完整性，从而能抑制材料本身的裂纹萌生和裂纹扩展，进而提高材料的寿命。因此，在本文中通过四个表面完整性参数阐述了有关喷丸强化对表面完整性的影响，总结了喷丸强化技术对微观结构，硬度，残余应力，表面粗糙度等表面完整性因素的影响规律分析，进而得出控制表面完整性的因素，促进喷完技术的发展，是人们按照自己理想的需求性能来控制表面完整性参数来达到目标。

3.1表面粗糙度

喷丸强化过程中弹丸高速撞击材料表面会引起材料的塑性变形，并且会在表面形成凹坑，会引起表面粗糙度的增大，而且不当的工艺参数甚至会引起材料的表层开裂等表面损伤，损害零件的性能，所以被喷丸材料的表面粗糙度是一项重要的指标，控制材料的表面粗糙度从而控制表面完整性能。喷丸强化参数对表面粗糙度有很大的影响，喷完强度增加，表面粗糙度也增加。而且随着喷完时间的增加，表面粗糙度上升到一定程度会下降，如图1所示

在刚开始，弹丸高速撞击次材料表面使材料严重塑性变形，形成很多峰和谷，表面粗糙度增大，随着时间加长，覆盖率的增加使凹凸数量不断增加，此时粗糙度達到最大，此时继续喷丸使材料峰谷交替出现，材料表面粗糙度开始下降最后达到稳定值。在一定范围内，喷丸时间越长，表面粗糙度越小。

3.2 显微结构

以不锈钢316为例进行打磨抛光，腐蚀后在显微镜下可观察到细化的奥氏体组织，对裂纹萌生产生阻碍作用，未喷丸的部分奥氏体组织明显比喷丸过的奥氏体大，这进一步阻碍了裂纹的扩展，从而提高了表面完整性。在喷丸强化过程中，材料表层发生塑性变形，其显微结构中晶粒大小，位错密度，物像结构等都发生变化。构成了变形组织的硬化层。塑性变形的表层硬化层的组织细化作用对晶体的应变起到了抑制作用，从而提高了材料的表面完整性能。喷丸强化后的组织细化机制是由于在弹丸撞击下接触应力超过了屈服强度，受喷材料表层产生位错和剪切等缺陷，缺陷在相互交错后形成了细化的胞状组织。

喷丸强度对不锈钢316影响层深度为300um纳米层的深度20um。喷丸强化后通过对显微结构图的分析，得出奥氏体约占总面积的百分76，奥氏体面积越大，表面完整性能越好。

3.3 残余应力

喷丸强化处理后会在材料表层引入残余应力，通常在靠近喷丸一侧的为残余压应力，因为残余压应力可以提高材料的表面完整性进而提高抗疲劳性能和抗腐蚀性能。因此，如何控制残余应力的大小，深度成为了当下研究的重要内容。

喷完的工艺参数，例如喷丸时间、强度、弹丸大小等对残余应力的大小有明显的影响。提高喷丸强度，弹丸获得更大的动能，受到喷丸的区域应力非常集中，因此变形层更深，残余应力值更大，表面完整性越好。随着喷完时间增加，受喷丸区域的最大残余应力和残余应力层也相应的增加喷丸时角度的选取不同也会对残余应力造成影响。弹丸的直径越大越容易产生更大的残余应力层深度，所以通过控制喷丸的工艺参数获得不同的表面残余应力，来提高表面的完整性。

3.4 表层硬度

喷丸强化后表层硬度呈现梯度变化，不锈钢316从被喷丸一侧到纵深表层硬度依次降低最后趋于未喷完硬度。喷丸强化使材料表层硬度大幅度提高，喷丸强化使调控硬度最简单也是最有效的方法，喷完强度越高，表层硬度值越大，硬度层深度越深。此外，喷丸弹丸的大小，喷丸时间也对表面层硬度有较大的影响。如图2所示，从图可见，大的直径弹丸对硬化层深度有较大影响，直径越大，深度越大，在一定范围内，时间越唱深度增加。

4 结语

通过不断调整喷丸的工艺参数来对表面完整性参数产生影响，朝着提高表面完整性能的方向调控，使不锈钢可以按照人们对它的性能需求的变化而变化，满足航空工业等重工业零件的性能需求，提供更加稳定的抗疲劳性能，从而提高安全性。所以鉴于目前的研究可以通过表面完整性的监测和控制系统进行控制和改善表面完整性，对重要零件的生产进行严格的表面完整性控制。