噴丸強化層微觀結構分析范文

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《航空材料學報》2016年第二期

摘要:

噴丸強化在金屬材料表面形成強化層，可以有效提高構件的疲勞壽命，是金屬構件表面完整性制造的重要方法。噴丸強化已有效應用于40CrNi2Si2MoVA鋼制構件，為了探明噴丸強化對該鋼種的強化機理，本工作采用高分辨電子顯微電鏡(HREM)對40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強化層微觀組織結構進行了系統分析研究。結果表明:噴丸強化使40CrNi2Si2MoVA鋼組織細化，呈明顯的馬氏體“有效晶粒”現象，“有效晶粒”尺寸為幾個納米到幾十個納米;“有效晶粒”界面呈明顯的傾轉現象，相鄰“有效晶粒”間轉動角度為幾度到幾十度，最大達到30°。

關鍵詞:

40CrNi2Si2MoVA鋼;噴丸強化;微觀結構

40CrNi2Si2MoVA鋼為低合金超高強度結構鋼，由于其具有高強度、良好的韌性和抗疲勞性能而在航空領域得到廣泛應用，當前國內外90%以上的軍、民用飛機起落架采用該材料制造。與其他高強度材料相同，40CrNi2Si2MoVA鋼有一固有缺點，就是疲勞強度對應力集中敏感，而形狀、加工等因素會使得構件不可避免地存在應力集中部位。為了抑制這一缺點，充分發揮材料的優良性能，必須采取一定措施來降低構件應力集中敏感，從而保證構件的表面完整性。構件的表面完整性決定了高強度構件的疲勞行為。美國空軍材料實驗室(AFLM)在其《機械加工構件表面完整性制造指南》中指出，表面完整性是指控制加工工藝方法造成的無損傷或強化的表面狀態。因此表面強化是構件表面完整性制造的重要方法，而噴丸強化是現代工程中最常用的表面強化技術［1-2］。噴丸強化在材料表面形成一個變質層，變質層內微觀組織結構等發生了重大變化，從而顯著提高了材料抗疲勞性能［3-5］。一直以來，針對超高強度鋼噴丸強化層微觀結構的研究工作很少。隨著電子顯微技術的發展，近年來采用透射電子顯微鏡(TEM)對高強材料表面變質層微觀結構的研究工作取得了較好的效果［6-7］。本研究采用高分辨電子顯微術對40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸強化層微觀結構進行分析研究，從微觀組織方面揭示噴丸強化對提高材料抗疲勞性能、改善表面完整性的機理。

1實驗材料及方法

40CrNi2Si2MoVA鋼采用真空感應加真空自耗(VIM+VAR)雙真空熔煉，經過1160℃加熱鍛造開坯成材，主要化學成分(質量分數/%)為:C0．40，Mn0．70，Si1．65，S0．001，P0．006，Cr0．88，Ni1．95，Mo0．40，V0．10，Fe余量。熱處理為870℃保溫1h，油冷;300℃保溫2h，空冷，兩次。在噴丸機上對試樣進行處理，所用鋼丸為S110，覆蓋率150%，強度為0．3A。采用JEOL2010型TEM和HREM觀察噴丸強化層微觀組織的結構特征。

2結果及分析

經870℃油淬，300℃兩次回火處理后，40CrNi2Si2MoVA鋼的組織為板條馬氏體、下貝氏體、殘余奧氏體及彌散分布的ε-碳化物。圖1所示為40CrNi2Si2MoVA鋼組織照片。圖1(a)為光學組織照片，晶粒大小為10～50μm;圖1(b)為TEM暗場像，顯示的是一個晶粒內板條馬氏體的排列情況;圖1(c)是衍射譜，標定為馬氏體、奧氏體及ε-碳化物［8］。40CrNi2Si2MoVA鋼經噴丸強化后表層組織結構發生變化。圖2(a)為噴丸強化層在直徑160nm范圍的TEM明場像，圖2(b)為該區域的電子衍射圖(SAEDP)。由圖2(b)可見，變形多晶環非常明顯。圖2(b)箭頭所指的a，b，c，a'，b'，c'六個強斑點構成噴丸前一個［111］取向的單個晶粒衍射圖，噴丸后單個晶粒變成多晶，第一圈多晶環即是由{110}面族的衍射點構成。從圖2(b)中的a點周圍來看，這個環由七套［111］取向單晶衍射圖構成。

圖2(c)是圖2(b)的初步模擬圖，一個［111］取向的晶粒經噴丸而細化為七種等效晶粒，標有1，2，3，4，5，6和7的點分別是各等效晶粒的(011)反射，用七種不同的顏色表征七套衍射斑點。以1套點(黑色)為參照系，2套點(紅色)繞［111］軸順時針傾轉9°，3套點(綠色)繞［111］軸順時針傾轉20°，4套點(紫色)繞［111］軸逆時針傾轉4°，5套點(藍色)繞［111］軸逆時針傾轉17°，6套點(棕色)繞［111］軸逆時針傾轉23°，7套點(黃色)繞［111］軸逆時針傾轉30°。實際上，圖2(b)衍射圖與模擬圖2(d)更為貼切;這是由于某些等效晶粒的取向不是嚴格的［111］方向，對［111］有至少3°～5°的偏離，這個偏離是由于在外力作用下，等效晶粒的傾轉不僅繞［111］軸，還同時會繞垂直于［111］的軸傾轉。這里1，2和4較靠近［111］，而3，5，6和7都有不同程度的偏離。圖2有效地證明了噴丸使晶粒細化。在近［111］入射方向有七種等效晶粒的衍射斑，應指出七種不是七個(因為每種里有不止一個等效晶粒，相同取向等效晶粒可分布在不同處，它們同時對同一衍射斑的強度做出貢獻)，等效晶粒數應比七多一些。還應指出，這里僅分析了第一圈環，{110}面族環，這個環幾乎全由近［111］取向的等效晶粒的{110}衍射斑點構成，實際上直徑160nm范圍內還可有少量高指數取向的等效晶粒，它們的衍射斑不在這個環上。由此可推知等效晶粒的直徑應為幾納米到幾十納米。

圖3是噴丸樣品直徑600nm范圍的TEM圖像，圖3(a)為TEM明場像，圖3(b)為該區域的衍射圖，衍射圖呈現為多晶環圖。c，d，e，f，g和h圖分別對應于b圖上的{110}面族環上的1，2，3，4，5和6處反射的暗場像。圖3在更大的噴丸區域內，更為直觀地展示了等效晶粒的分布和大小。等效晶粒的直徑應為幾納米到幾十納米。為了進一步揭示40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸后材料表層微觀組織結構，利用高分辨電子顯微術(HREM)對40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品進行了觀察分析。

圖4是未噴丸樣品［111］方向的HREM像及HREM放大過濾像，圖上標示的0．204nm是(011)的面間距，插圖為該區的傅里葉變換圖，可見到未噴丸樣品的晶格整齊清晰。圖5是噴丸樣品［111］方向的HREM像及HREM放大過濾像，圖上標示的0．204nm是(011)的面間距，插圖為該區的傅里葉變換圖。噴丸樣品在觀察的視野中，普遍地出現了More條紋，這是在一個晶粒內，沿電子束入射方向［111］上下相疊的兩片晶體產生的More條紋。兩片晶體間傾轉的角度不能在HREM像上看到，但可在傅里葉變換圖上測到β=23°，即圖上(011)和f間的夾角(f點是另一片晶體的(011))，圖上m和m'是對應著More條紋的反射點。按公式More條紋的寬度D=d/(2*sin(β/2))=0．204/(2sin(23/2))=0．512nm，而More條紋的實測值為0．5nm，計算值與實測值符合得很好。

圖6是噴丸樣品［110］方向的HREM像及HREM過濾像，圖上標示的0．204nm是(011)的面間距，插圖為該區的傅里葉變換圖。圖6整個視野是一片電子束入射方向為［110］的晶體片，而其上疊加了另一［110］取向的晶體片，即圖6(b)上出現More條紋的這部分，這部分晶體繞［110］傾轉了16°，在HREM過濾像和傅里葉變換圖上都顯示出了這個角度。More條紋寬度，計算值為D=0．204/(2sin(16/2))=0．733nm，實測值為0．73nm，符合得很好。圖5和圖6顯示的相疊的兩部分晶體是噴丸強化形成的，一個單晶體(晶粒)在外力的作用下，產生晶格畸變，一部分相對另一部分傾轉造成了晶粒的細化。由上述對40CrNi2Si2MoVA鋼噴丸樣品的TEM和HREM的觀察與分析，可見:噴丸使晶粒細化，生成許多由幾納米到幾十納米的等效晶粒，呈明顯的馬氏體“有效晶粒”現象;“有效晶粒”間的角度由幾度到幾十度(由TEM衍射圖測得4°，9°，17°，20°，23°和30°，HREM測得16°和23°)。噴丸強化使40CrNi2Si2MoVA鋼表層組織晶粒、亞晶粒產生塑性變形，導致晶格畸變，出現了馬氏體“有效晶粒”現象，從而使晶粒細化。研究表明［9］，晶粒細化可以提高鋼的抗疲勞性能。塑性變形在力方面的體現為殘余應力，而在形狀方面的體現為晶格畸變，殘余應力的本質就是晶格畸變［10］，因此，強化層內殘余壓應力與微觀結構的變化是伴生的。

3結論

(1)噴丸使40CrNi2Si2MoVA鋼表層組織細化，呈明顯的馬氏體“有效晶粒”現象;“有效晶粒”尺寸為幾納米到幾十納米。(2)噴丸使40CrNi2Si2MoVA鋼表層晶粒間發生傾轉，轉動角度為幾度到幾十度。

作者：劉天琦 李春志 盛偉 王強 單位：北京航空材料研究院