金属材料与零件的表面完整性与疲劳断裂抗力间的关系

金属材料与零件的表面完整性与疲劳断裂抗力间的关系王仁智（北京航空材料研究院，北京100095）摘要：本文论述了金属材料/零件的表面完整性与其疲劳断裂抗力之间的关系。试验结果表明，表面完整性中的残余应力、组织结构与表面粗糙度这三个因素对疲劳断裂抗力是最有影响力的三个因素。关键词：表面完整性，组织结构，残余应力，疲劳断裂抗力ReviewontheRelationshipbetweenSurfaceIntegrityandFatigueFractureResistanceofMetallicMaterialsandComponentsWangRenzhi(InstituteofAeronauticalMaterials,Beijing,100095)Abstract:Therelationshipbetweensurfaceintegrity(SI)ofmetalmaterialsandfatiguefractureresistance(FFR)arediscussed.TheexperimentshavebeenshownthatthethreefactorsofresidualstressmicrostructureaswellassurfaceroughnessincludingintheallfactorsofSIhavethemostinfluenceontheFFR.Keywords:Surfaceintegrity;Microstructure;Residualstress;Fatiguefractureresistance.引言任何一种金属材料及其零部件的疲劳断裂（高周或低周疲劳），其疲劳源绝大多数情况下萌生于表面。因此，金属材料/零件的疲劳断裂抗力（Fatiguefractureresistance–FFR），首先取决于表面完整性（Surfaceintegrity-SI）。在其它条件完全相同的情况下，表面完整性等级越高，材料/零件的FFR越高，即疲劳强度极限（σw）越高或疲劳裂纹的扩展速率越低。表面完整性主要由以下两方面内容构成：第一是表面纹理。表征纹理的参量是表面粗糙度（Surfaceroughness-SR）。表征表面粗糙度的参量Ra值越大，则材料/零件的FFR越低。第二是表层内发生的与内部基体完全不同的物理、化学以及残余应力的变化，描述和表征这种变化的有：○1表层的组织结构（Microstructure-MS）,如相转变，晶粒与亚晶粒的形状与尺寸，晶体点阵畸变与位错组态等；○2表层组织结构的塑性形变（Plasticdeformedstructure-PDS）；○3表层的合金元素贫化（Delutionofalloyingelement-DAE）或外部元素的渗入（Penetrationofexternal-DEE）；○4加工工艺引入的残余应力（Residualstress-RS）在20～200℃的范围内，材料/零件外表面不存在宏观缺陷的情况下，SI中的各项因素对FFR影响程度的一般排列顺序如下：○1表层的残余应力状态（RS）→○2表面粗糙度（SR）→○3表层的组织结构（MS）→○4表层的合金元素贫化（DAE）或外部元素的渗入（DEE）。在更高的温度（600～750℃）范围内，同样在如上述的条件下，SI中的各项因素对FFR影响程度的一般排列顺序为：○1MS→○2RS→○3SR→○4DAE与DEE。本文主要论述室温条件下，SI对材料/零件高周FFR（其中包括机械、微动、接触疲劳等）的影响，通常人们重视并期望测定的是某一指定方向的残余应力，该方向正是引起发生疲劳断裂的外加应力的作用方向。只有这样才能计算出上述二者迭加后合力对材料/零件疲劳开裂的作用，由此进一步评价残余应力在改善FFR中的作用。1.材料/零件表层的残余应力与疲劳强度金属材料经过若干种冷、热加工处理，制成各种机械零部件。每经过一道加工工艺，如机械切削加工、热表处理、焊接等，均有可能向零件表层内引入方向与量值不同的残余应力。表层残余应力对材料/零件FFR性能影响的一般规律是：残余压应力使FFR增高，而残余拉应力使FFR下降。RS对FFR影响的上述规律早已为世界各国机械制造工程界的专家们所公认。在遵循上述规律的基础上，近百年来在制造工艺上开发并建立了各种引入表层RS的加工工艺，其中主要有：1）表面高频淬火热处理工艺2）表面化学处理工艺（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）3）表面喷丸形变处理4）表面滚压形变处理5）表面碾压处理6）表面激光处理7）表面复合强化处理以上各种处理工艺虽然都能提高材料/零件的FFR，但各自都有各自在工程应用中各自都存在着一定的局限性。唯独表面喷丸形变处理工艺，一不受材料种类的限制，二不受零件几何形状与尺寸大小的限制。就其强化效果而言也是至今任何一种工艺方法无可比拟的。因此，本文主要讨论喷丸形变引入表层的残余压应力场及其对FFR的影响。1.1300M超高强度钢的残余应力与疲劳强度300M钢（σb＝1950MPa，HRC53～54）经过各种不同喷丸强度（shotpeenningintensity－SPI）处理后的残余应力（σr）沿表层深度（Z）的分布（即σr－Z剖面）示于图1，而表征喷丸残余应力场的四个特征参量（σsr－表面残余压应力，σr，max－最大残余压应力，Zc－σr，max值距表面深度，Z0－残余压应力场深度）分别列入表1。分析各种喷丸形变工艺及其所给出的表征残余压应力的四个特征参量，可以得出以下变化规律：图1几种喷丸形变处理样品的σr－Z剖面1－5＃样品；2－6＃样品；3－8＃样品；4－10＃样品；5－12＃样品；6－4＃样品表1.引入各种编号样品残余应力场的四个特种参量值试样编号原始表面状态表面喷丸处理σsr（MPa）σr，max及其位置δc（mm）表面粗糙度Ra（μm）σr，max（MPa）距表面深（mm）1磨加工+电抛光－-40～-80－－－0.6SPI低（中等钢丸）-920-12000.090.261.02粗加工－-400－－－2.4SPI低（中等钢丸）-800－－－0.73表面脱碳（约0.1mm）－-320～-400－－－0.6SPI低（中等钢丸）-700－－－0.74表面镀Cr（层深约0.05mm）－+580～+800－－－0.7SPI低（中等钢丸）+629～+720-9400.080.260.75磨加工－－－－－0.7SPI低（玻璃丸）-1000-12000.0250.140.66磨加工SPI低（小钢丸）-1000-11500.060.300.77磨加工SPI中（小钢丸）-900-11500.100.310.78磨加工SPI中下（中等钢丸）-970-11500.100.260.79磨加工SPI中（中等钢丸）-930-12000.100.360.710磨加工SPI中上（中等钢丸）-900-12000.140.501.2511磨加工二次喷丸：SPI中上（中等钢丸）+SPI低（玻璃丸）-1050-13000.080.380.612磨加工SPI高（大钢丸）-840-12000.200.502.513磨加工二次喷丸：SPI高（大钢丸）+SPI低（玻璃丸）-1080-12000.090.500.7注：被测σr的方向为样品的轴向，与最大弯曲交变应力方向同向。（1）表面残余压应力σsr值随着SPI的增高而逐渐下降。如在低的SPI下，σsr≈-1000MPa，而高的SPI却降至σsr≈-840MPa。（2）σr，max值基本上不随SPI而变化。各种SPI下获得的σr，max值均为-1185MPa。（3）Zc值随SPI的增高而增大。如在低的SPI下Zc≈0.08mm；而高的SPI下Zc≈0.20mm。（4）由于二次低强度喷丸能够增高近表面层的σr分布，所以使Zc的位置向表面方向移动。（5）残余压应力场深度Z0随SPI的增高而逐渐增深。（6）表面粗糙度Ra随着SPI的增高而增高。（7）表面电镀Cr不仅使镀层而且也使基体材料表层内引入残余拉应力。但是，喷丸形变处理在引入基体残余压应力之后，再进行电镀处理，则可降低由于电镀引入基体表层的残余拉应力水平及其分布深度。（8）表层脱碳（层深0.1mm）就意味着表层内的组织发生变化，即原表层内的部分高碳回火马氏体可能转变成低碳回火马氏体或甚至部分转变成铁素体，由此导致该层内的σb、HRC下降，喷丸形变处理难以对此种低强度的组织引入更高的残余压应力（详见表1中的数据）。采用直径为φ6mm、长度为100mm的圆棒试样做旋转弯曲疲劳试验，应力比R＝-1。用表1中部分编号的试样做两组疲劳试验：一组是在恒定应力幅σa＝1000MPa下，测定样品的疲劳断裂次数Nf（结果示于图2）；另一组测定N＝107cycles不发生断裂的疲劳强度极限（结果列入表2）。图2恒幅交变应力σa下超高强度钢的疲劳断裂寿命与喷丸残余应力和表面Ra间的关系分析图2和表2的疲劳试验结果可以得出：（1）对于超高强度钢，其疲劳断裂寿命随着引入其表层的σsr、σr，max、Z0等特征值的增高而延长。但是，采用过高的SPI一方面导致σsr下降，另一方面表2各种试样的疲劳强度极限（107cycles）编号表面处理疲劳极限σ-1（MPa）△σ-1/σ-1提高或降低值1磨加工＋电抛光780－磨加工＋喷丸：SPI中（中等钢丸）1040与电抛光相比增高32％2粗加工680与电抛光相比下降10％粗加工＋喷丸：SPI中（中等钢丸）930与粗加工相比增高36％3表面脱碳（约0.1mm）720与电抛光相比下降8％表面脱碳＋喷丸：SPI中（中等钢丸）880与脱碳相比增高22％与电抛光相比增高13％4镀Cr270与电抛光相比下降65％镀Cr＋喷丸：SPI中（中等钢丸）840与电镀相比增高211％又引起材料表面粗糙度Ra的增大，亦即表面的应力集中效应增高（见表1中的Ra数据），其结果反而导致疲劳断裂寿命（或FFR）下降（见图2中的7＃、10＃、12＃样品）。（2）然而，对于12＃样品采用二次喷丸处理后，获得二次喷丸13＃样品的结果，一方面使该样品的σsr、σr，max特征值增高，另一方面样品的表面粗糙度也发生下降（由Ra＝2.5μm下降至Ra＝0.7μm），即降低了样品表面的应力集中效应。由此13＃样品的疲劳断裂寿命再次增长（见图2）。（3）磨加工后经电抛光的样品（1＃），其表面Ra（～0.6μm）值是所有样品中的最低者，而粗加工样品（2＃）的Ra（～2.4μm）值为最高。上述二者相比，尽管粗加工也引入表层一定的残余压应力，但在表面粗糙度对FFR起着主要作用的条件下，其疲劳极限（σ-1）还是下降了10％（表2）。但是当喷丸引入2＃样品内更高的σsr值，也使2＃样品的表面Ra值获得某些下降时，则粗加工样品的σ-1可提高36％（见表2）。（4）表面脱碳导致表层内的组织结构发生变化（3＃样品），与内层高强度的高碳回火马氏体相比表层内形成的为低碳低强度的回火马氏体或部分铁素体，结果导致了其FFR下降。与电解抛光样品相比，其σ-1下降8％（表2）。即使对脱碳样品进行喷丸，因只能获得较低的σsr（～-700MPa），不可能把疲劳裂纹推移至内（亚）表层内萌生，不能获得内部疲劳极限[1]，所以也只能使其σ-1值获得有限的提高（22％）。（5）镀Cr工艺使镀层和界面的基体表层内形成残余拉应力（σsr＝+580～+800MPa，4＃样品），此外镀Cr层内常出现许多呈网状的微裂纹。残余拉应力与微裂纹（即表面应力集中效应）共同导致其σ-1大幅度下降，与电抛光样品相比，下降65%，即下降2/3。所采用的喷丸工艺只能使表面残余拉应力降低，还不能使σsr由拉变为压应力，但是基体表层内的最大σr，max值由拉变为压应力σr，max＝-940MPa，所以使其σ-1与单一的电镀Cr工艺相比，可提高211％。1.2Cr17Ni2不锈钢叶片的残余应力与疲劳强度为了提高Cr17Ni2马氏体不锈钢的应力腐蚀抗力，对压气机叶片进行镀Ni+Cd，再进行高温扩散处理。如前所述，电镀工艺最易把残余拉应力引入零件表