工程上材料的失效大多始于材料表面，因此 研究表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)提高機(jī)械零件的使用壽命具 有重要的意義。表面納米化是近年來(lái)由盧柯和呂堅(jiān)提出的，即利用各種物理或化學(xué)方法在材料 的表面制備具有納米晶粒尺寸的表層，從而借助 于納米材料超細(xì)晶粒組織的特點(diǎn)，使材料得到表 面改性。目前利用高能噴丸(機(jī)械表面研磨)已 在多種金屬材料表面得到了納米化表層。

盡管目前已經(jīng)對(duì)表面納米化機(jī)理和性能進(jìn)行 了較廣泛和深入的研究，但對(duì)疲勞性能的了解 還很不夠。本研究在利用高能噴丸技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)純鈦表面納米化的基礎(chǔ)上，探討了高能噴丸表 面納米化對(duì)工業(yè)純鈦疲勞性能的影響，分析了高 能噴丸和普通噴丸對(duì)工業(yè)純鈦的組織、硬度、疲 勞性能和斷口的變化。

1.試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為4mm厚的工業(yè)純鈦(TA2)板。先?將鈦板在真空爐中進(jìn)行均勻化退火(真空度為 1??10-3Pa，退火溫度為800度，保溫時(shí)間為60?min），然后用線切割方式按圖l加工疲勞試樣。?用改進(jìn)的QPL30型履帶式拋丸機(jī)對(duì)疲勞試樣進(jìn)?行滾動(dòng)高能噴丸表面納米化處理和普通噴丸處 理。噴丸工藝為:1mm直徑的Cr-Mo鋼球，彈丸速度55m/S，普通噴丸和納米化噴丸等時(shí)間分別為6和360min。

在MTS3?1?8型電液伺服萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上做三點(diǎn) 彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力為R=0.1，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為?2x?10的6次方疲勞實(shí)驗(yàn)，頻率20HZ。用JSM.6360LV 掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察及疲勞斷口分析。表 層的顯微硬度用FM.7000型半自動(dòng)數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量，載荷為259，保荷時(shí)間為15s，不同深度 測(cè)5點(diǎn)取平均值。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1微觀組織

圖2為不同工藝噴丸后的金相組織。由圖2可以看出，噴完后表面出現(xiàn)了大量的孿晶。由于 在噴丸前樣品在8000C進(jìn)行了退火，消除了原始 組織中的孿晶，因此可以認(rèn)為所發(fā)現(xiàn)的孿晶，都 是在噴丸過(guò)程中形成的。經(jīng)普通噴丸后，表層出 現(xiàn)交叉孿晶，隨深度的增加，交叉孿晶減少，孿 晶密度也在降低。納米化噴丸后，變形層深度增 加，變形程度也明顯提高。在塑性變形最強(qiáng)烈的 區(qū)域，掃描電鏡下已不能分辨是否存在孿晶。

2.2表層硬度

對(duì)不同工藝噴丸試樣表層的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，普通噴丸 后，表層形成了部分相互交割的孿晶，使表面硬度有所提高。經(jīng)高能噴丸(HESP)處理后表面的顯微硬度與心部基體相比顯著提高，對(duì)比圖2中 的金相組織可以看出，對(duì)應(yīng)于組織中的強(qiáng)烈變形 區(qū)，顯微硬度提高最顯著。在我們已進(jìn)行的工作 中已經(jīng)證實(shí)，這一范圍得到了納米級(jí)晶粒。另?外，由圖3可以看出，普通噴丸距表面不到?100pm，硬度已經(jīng)接近基體硬度，而高能噴丸試 樣直到約500pm硬度才接近基體，即高能噴丸處 理后試樣的塑性變形層也比普通噴丸要深得多。

2.3疲勞強(qiáng)度

在本研究的試驗(yàn)中，高能噴丸和普通噴丸條 件下，試樣的疲勞強(qiáng)度分別為460?MPa和485MPa。與原始退火態(tài)的工業(yè)純鈦的疲勞強(qiáng)度410MPa相比，無(wú)論是高能噴丸還是普通噴丸，都使疲勞強(qiáng)度有了一定的提高。但是，高能噴丸使疲勞強(qiáng)度提高了12%，略低于普通噴丸的18%。

用掃描電鏡對(duì)疲勞試樣斷口進(jìn)行了細(xì)致觀 察。在普通噴丸斷口上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋源處存在缺 陷。圖4分別為不同應(yīng)力下疲勞裂紋源處的SEM 像。但在高能噴丸斷口裂紋源處，發(fā)現(xiàn)有噴丸造 成的機(jī)械損傷，表面深坑(圖5(a))和微裂紋(圖 5(b))，而且在低應(yīng)力水上，這樣的缺陷也能成為裂紋源，使疲勞強(qiáng)度降低。

如2.1節(jié)所述，高能噴丸使得試樣表面發(fā)生強(qiáng)烈的加工硬化、并在表層形成了納米晶粒的組 織，并在表層一定的殘余壓應(yīng)力。大量的研究表 明，表面強(qiáng)度的提高和晶粒的細(xì)化都將增加疲勞 裂紋產(chǎn)生的阻力，從而有利于提高材料的疲勞極 限。而一定的表層殘余壓應(yīng)力將抑制疲勞裂紋的 擴(kuò)展，甚至使其成為非擴(kuò)展裂紋從而使疲勞極限 進(jìn)一步提高。最近對(duì)工業(yè)純鈦表面納米化的研究表明，當(dāng)晶粒最細(xì)的納米化表層，晶粒中缺陷較 少。因此很可能會(huì)避免形變孿生造成的微觀損 傷，提高疲勞強(qiáng)度。因此與普通噴丸相比，高能噴丸能夠形成提高疲勞強(qiáng)度的更為有利的因素。

但在另一方面，高能噴丸普遍對(duì)試樣表面造 成了損傷，而這些損傷無(wú)疑是嚴(yán)重降低疲勞極限 的主要因素，從而難以發(fā)揮出高能噴丸所形成的 提高疲勞極限的有利因素，同時(shí)也使得試樣表層 未能夠反映出納米組織效應(yīng)，鈦又是一個(gè)對(duì)表面 狀態(tài)敏感的金屬。

因此可以認(rèn)為，表面損傷是高能噴丸未能進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度的主要原因。 所以，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的高能噴丸工藝研究， 在得到最佳納米化效果的同時(shí)降低或者消除表面 的損傷，這樣將有可能更大幅度的提高疲勞強(qiáng)度。

3.結(jié)論

高能噴丸可以使工業(yè)純鈦表層晶粒納米化表層硬度明顯提高，同時(shí)也能在表層形成一定的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，因此疲勞強(qiáng)度得到提高。

但如果高能噴丸在材料表面造成了機(jī)械損傷，使得疲勞裂紋在這些損傷處形成，將使疲勞強(qiáng)度的提高不顯著（12%），甚至略低于傳統(tǒng)噴丸(18%)。優(yōu)化高能噴丸納米化工藝，將有助于發(fā)揮表面納米結(jié)構(gòu)組高的表面殘余壓應(yīng)力的作用。

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