提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法

摘要

本发明涉及一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，该方法为：在待处理材料两端加载预应力，该预应力的强度低于待处理材料中低硬度物相的屈服强度，然后在相同的抛丸强度下，利用气压式喷丸机进行喷丸处理。与现有技术相比，本发明属于一种优化表面强化技术，仅需要增加预应力装置，设备及物资投资小，工艺操作简单，表面优化效果明显。本发明的工作原理成熟，对有利于提高硬度低但其弹性回复力高物相的残余压应力。从而优化整个材料表面残余压应力分布的均匀性，实施方案简便易行。

权利要求

1.一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，该方法为：在待处理材料两端加载预应力，该预应力的强度低于待处理材料中低硬度物相的屈服强度，然后在相同的抛丸强度下，利用气压式喷丸机进行喷丸处理；

所述的待处理材料为两相材料，两相材料为高硬度物相和低硬度物相，其中低硬度物相有高的弹性回复。

2.根据权利要求1所述的一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，所述的待处理材料为含有奥氏体和铁素体两相的双相钢。

3.根据权利要求2所述的一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，所述的待处理材料两端加载的预应力为350MPa。

4.根据权利要求1所述的一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，所述的气压式喷丸机的喷丸强度为0.18mmA，喷丸时间为30秒，覆盖率为

100％。

5.根据权利要求1所述的一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，气压式喷丸机进行喷丸处理后的产品采用X射线衍射仪对不同的物相残余应力进行测试，不同的物相均采用相应高角度的衍射角进行测试。

说明书

提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，具体地说，是一种优化双相材料表面强化的加载应力喷丸处理方法。

背景技术

[0002] 表面喷丸强化技术，是提高机械零部件疲劳寿命及应力腐蚀抗力等的关键制造工艺。喷丸强化因素包括两个方面，即残余应力强化和组织强化。组织强化可有效防止裂纹萌生，而残余应力强化则具有防止裂纹扩展的作用。控制这两个因素，可以改变零构件的表面性能，使材料疲劳寿命及应力腐蚀抗力等获得明显改善。

[0003] 经对现有技术文献的检索发现，经对现有技术文献的检索发现，M.Kobayashi等人在《国际疲劳杂志(International Journal of Fatigue)》(1998年，第20卷，351-357页)上发表的“喷丸残余应力生成机制(Mechanism of creation of compressive residual stress by shot peening)”论文，研究了喷丸强化残余压应力场的生成机制，发现最大残余压应力值出现在次表层，而表面残余压应力值反而较小。C.A.Rodopoulos等人在《国际疲劳杂志(International Journal of Fatigue)》(2004年，第26卷，849-856页)上发表的“2024-T351铝合金受控喷丸疲劳抗力的优化-方法、结果与分析(Optimisation of the fatigue resistance of 2024-T351aluminium alloys by controlled shot peening-methodology，results and analysis)”论文，研究了喷丸强化对金属材料表面显微硬度的影响，发现在单一喷丸条件下，喷丸形变层显微硬度的提高存在一定的极限。而Volker Schulze在第8届国际喷丸会议发表的“经喷丸处理后的表层的表征(Characteristics of surface layers produced by shot peening)”(2002年9月，16-20页)上研究表明在相同的喷丸条件下，材料的硬度越高，其表面的残余压应力越大。在双相材料中，两物相的硬度常因结构不同，成分不同而使物相的硬度不同。当物相硬度相差较大时，常规喷丸后在表层两物相的最大残余压应力值往往会相差较大，这样就不利于整体提高材料的表面性能。而Johan Johansson等在《冶金与材 料处理》(Metallurgical and Materials Transactions)中研究论文“双相钢中奥氏体与铁素体在循环载荷下的负载分配(Load sharing between austenite and ferrite in a duplex stainless steel during cyclic loading)”中提到低硬度的铁素体具有较低的屈服强度和较高的弹性回复力。而整体材料的屈服强度取决于两相的屈服强度的大小。

[0004] 在相同的喷丸条件下，双相材料硬度越低的物相，残余应力最大值将越小，这样便不利于材料表面性能整体的提高。当低硬度物相具有较高的弹性回复强度时，采用预加载应力喷丸加工，将能进一步提高低硬度物相残余应力的最大值。因此，预加载荷喷丸有利于进一步提高低硬度物相的残余应力，减小两相材料表面残余最大应力的差异，促进两相残余压应力分布的均匀性，有利于提高整体材料表面的残余压应力，促进优化双相材料的表面性能。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法，其特征在于，该方法为：在待处理材料两端加载预应力，该预应力的强度低于待处理材料中低硬度物相的屈服强度，然后在相同的抛丸强度下，利用气压式喷丸机进行喷丸处理。

[0007] 所述的待处理材料为两相材料，两相材料为高硬度物相和低硬度物相，其中低硬度物相有高的弹性回复。

[0008] 所述的待处理材料为含有奥氏体和铁素体两相的双相钢。

[0009] 所述的待处理材料两端加载的预应力为350MPa。

[0010] 所述的气压式喷丸机的喷丸强度为0.18mmA，喷丸时间为30秒，覆盖率为100％。

[0011] 气压式喷丸机进行喷丸处理后的产品采用X射线衍射仪对不同的物相残余应力进行测试，不同的物相均采用相应高角度的衍射角进行测试。

[0012] 本发明的目的在于针对硬度不同，相弹性回复强度不同的两相材料在普通喷丸技术中的不足，提供一种既提高两相表面强化又促进两相表面残余应力均匀分布的喷丸处理方法。在低硬度物相的屈服范围内选择外载荷预应力，进一步提高低硬度物相的最大残余应力，促使提高材料的整体表面性能。

[0013] 与现有技术相比，本发明所提供的是进一步提高两相材料中低硬度高弹性物相表面的最大残余应力。在低硬度高弹性回复强度物相的屈服范围内，对试样加载拉应力进行喷丸处理，既巩固了喷丸强化效果，又利于进一步提高低硬度物相的残余应力，减小两相材料表面最大残余应力的差异。在350MPa的加载下，各物相表面残余压应力分别比没有加载时提高了17.08％(奥氏体)和30.04％(铁素体)，两物相的残余应力差异值由130MPa降低到了59MPa。此外，预应力喷丸与传统喷丸相比，仅需要增加预应力装置，不需要更换喷丸设备和弹丸，设备及物资投资小，工艺操作简单，对低硬度高弹性物相的残余应力提高明显。本发明的工作原理成熟，在普通喷丸机上即可实现，实施方案简便易行。

附图说明

[0014] 图1为实施例中预应力喷丸的拉伸加载模型；

[0015] 图2为实施例双相钢S32205中奥氏体预应力喷丸和传统喷丸残余应力在材料表层沿层深的分布曲线；

[0016] 图3为实施例双相钢S32205中铁素体预应力喷丸和传统喷丸残余应力在材料表层沿层深的分布曲线。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0018] 实施例

[0019] 本实施例的实验材料：双相钢S32205，喷丸试样尺寸50×10×5mm3，编号为1号。

[0020] 在上述待处理材料1号试样两端加载预应力，预应力也是通过抛丸机进行加载，然后在与预应力相同的抛丸强度下，利用气压式喷丸机进行喷丸处理。

[0021] 实施时，利用气动式喷丸机进行复合喷丸处理。首先对1号试样实施一次喷丸，喷丸条件为，气压0.5MPa，喷丸强度0.18mmA。所用弹丸均为陶瓷弹丸(直径0.3毫米，硬度700HV)。

[0022] 作为对比，选择材料和试样尺寸与1号试样相同的样品进行应力加载喷丸，编 号为2号(喷丸气压为350MPa)，3号(喷丸气压为400MPa)，4号(喷丸气压为450MPa)，喷丸设备和喷丸条件与试样1号喷丸完全相同。应力加载模型如图1所示。

[0023] 残余应力评价

[0024] 分别利用X射线应力仪，测量上述1～4号样品的喷丸表层残余应力分布、结果分别为图2及表1～2所示。

[0025] 图2和图3分别为奥氏体和铁素体在未加载与不同大小加载下喷丸材料表层残余应力沿层深的分布曲线。在相同的喷丸条件下，残余压应力的最大值和压应力分布的层深随着预应力的增大而增大，说明预载荷应力喷丸分别提高了两物相的残余压应力。表1为加载不同预应力喷丸后，两物相在表层的最大残余应力。在没有加载时喷丸后，奥氏体的残余压应力比铁素体体多130MPa；在加载350MPa时，奥氏体的残余压应力比铁素体多59MPa；在加载400MPa时，奥氏体的残余压应力比铁素体多94MPa；在加载450MPa时，奥氏体的残余压应力比铁素体多179MPa。在加载350MPa时，奥氏体的残余压应力与铁素体最接近，促进了材料表面的残余应力分布的均匀性。这是由于喷丸卸载后，铁素体的弹性回复强度更大而产生。表2表明，加载后的最大残余应力(相对未加载)增长率随着预应力的增大而增大，而且铁素体残余应力的增长率都高于奥氏体。在加载350MPa时，铁素体的残余压应力比奥氏体的增长率最大，更有利于提高材料表面的残余应力分布的均匀性。该材料的屈服强度为450MPa，又因为铁素体的屈服强度低于奥氏体，可得知铁素体的屈服强度一定低于450MPa。当负载接近或高于材料的屈服强度时，奥氏体的回复将明显增加，这样反而不利于两相最大残余应力值差异的减小。因此，提高低硬度物相的残余应力应选择在低硬度物相的屈服强度范围内，而不是整体材料的屈服强度范围内。

[0026] 表1加载不同预应力喷丸后，两物相的量大残余应力

[0027]

[0028] 表2加载后的最大残余应力(相对未加载)增长率

[0029]

[0030] 综合上述结果，采用适当的预加载应力(在低硬度物相的屈服强度范围内)喷丸处理，可增加材料表面残余压应力及近表面区残余压应力分布深度，有利于进一步提高低硬度物相的残余应力，促进表面最大残余应力分布的均匀性，优化材料整体表面性能。