喷丸强化层微观结构分析范文

《航空材料学报》2016年第二期

摘要:

喷丸强化在金属材料表面形成强化层，可以有效提高构件的疲劳寿命，是金属构件表面完整性制造的重要方法。喷丸强化已有效应用于40CrNi2Si2MoVA钢制构件，为了探明喷丸强化对该钢种的强化机理，本工作采用高分辨电子显微电镜(HREM)对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观组织结构进行了系统分析研究。结果表明:喷丸强化使40CrNi2Si2MoVA钢组织细化，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象，“有效晶粒”尺寸为几个纳米到几十个纳米;“有效晶粒”界面呈明显的倾转现象，相邻“有效晶粒”间转动角度为几度到几十度，最大达到30°。

关键词:

40CrNi2Si2MoVA钢;喷丸强化;微观结构

40CrNi2Si2MoVA钢为低合金超高强度结构钢，由于其具有高强度、良好的韧性和抗疲劳性能而在航空领域得到广泛应用，当前国内外90%以上的军、民用飞机起落架采用该材料制造。与其他高强度材料相同，40CrNi2Si2MoVA钢有一固有缺点，就是疲劳强度对应力集中敏感，而形状、加工等因素会使得构件不可避免地存在应力集中部位。为了抑制这一缺点，充分发挥材料的优良性能，必须采取一定措施来降低构件应力集中敏感，从而保证构件的表面完整性。构件的表面完整性决定了高强度构件的疲劳行为。美国空军材料实验室(AFLM)在其《机械加工构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艺方法造成的无损伤或强化的表面状态。因此表面强化是构件表面完整性制造的重要方法，而喷丸强化是现代工程中最常用的表面强化技术［1-2］。喷丸强化在材料表面形成一个变质层，变质层内微观组织结构等发生了重大变化，从而显著提高了材料抗疲劳性能［3-5］。一直以来，针对超高强度钢喷丸强化层微观结构的研究工作很少。随着电子显微技术的发展，近年来采用透射电子显微镜(TEM)对高强材料表面变质层微观结构的研究工作取得了较好的效果［6-7］。本研究采用高分辨电子显微术对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观结构进行分析研究，从微观组织方面揭示喷丸强化对提高材料抗疲劳性能、改善表面完整性的机理。

1实验材料及方法

40CrNi2Si2MoVA钢采用真空感应加真空自耗(VIM+VAR)双真空熔炼，经过1160℃加热锻造开坯成材，主要化学成分(质量分数/%)为:C0．40，Mn0．70，Si1．65，S0．001，P0．006，Cr0．88，Ni1．95，Mo0．40，V0．10，Fe余量。热处理为870℃保温1h，油冷;300℃保温2h，空冷，两次。在喷丸机上对试样进行处理，所用钢丸为S110，覆盖率150%，强度为0．3A。采用JEOL2010型TEM和HREM观察喷丸强化层微观组织的结构特征。

2结果及分析

经870℃油淬，300℃两次回火处理后，40CrNi2Si2MoVA钢的组织为板条马氏体、下贝氏体、残余奥氏体及弥散分布的ε-碳化物。图1所示为40CrNi2Si2MoVA钢组织照片。图1(a)为光学组织照片，晶粒大小为10～50μm;图1(b)为TEM暗场像，显示的是一个晶粒内板条马氏体的排列情况;图1(c)是衍射谱，标定为马氏体、奥氏体及ε-碳化物［8］。40CrNi2Si2MoVA钢经喷丸强化后表层组织结构发生变化。图2(a)为喷丸强化层在直径160nm范围的TEM明场像，图2(b)为该区域的电子衍射图(SAEDP)。由图2(b)可见，变形多晶环非常明显。图2(b)箭头所指的a，b，c，a'，b'，c'六个强斑点构成喷丸前一个［111］取向的单个晶粒衍射图，喷丸后单个晶粒变成多晶，第一圈多晶环即是由{110}面族的衍射点构成。从图2(b)中的a点周围来看，这个环由七套［111］取向单晶衍射图构成。

图2(c)是图2(b)的初步模拟图，一个［111］取向的晶粒经喷丸而细化为七种等效晶粒，标有1，2，3，4，5，6和7的点分别是各等效晶粒的(011)反射，用七种不同的颜色表征七套衍射斑点。以1套点(黑色)为参照系，2套点(红色)绕［111］轴顺时针倾转9°，3套点(绿色)绕［111］轴顺时针倾转20°，4套点(紫色)绕［111］轴逆时针倾转4°，5套点(蓝色)绕［111］轴逆时针倾转17°，6套点(棕色)绕［111］轴逆时针倾转23°，7套点(黄色)绕［111］轴逆时针倾转30°。实际上，图2(b)衍射图与模拟图2(d)更为贴切;这是由于某些等效晶粒的取向不是严格的［111］方向，对［111］有至少3°～5°的偏离，这个偏离是由于在外力作用下，等效晶粒的倾转不仅绕［111］轴，还同时会绕垂直于［111］的轴倾转。这里1，2和4较靠近［111］，而3，5，6和7都有不同程度的偏离。图2有效地证明了喷丸使晶粒细化。在近［111］入射方向有七种等效晶粒的衍射斑，应指出七种不是七个(因为每种里有不止一个等效晶粒，相同取向等效晶粒可分布在不同处，它们同时对同一衍射斑的强度做出贡献)，等效晶粒数应比七多一些。还应指出，这里仅分析了第一圈环，{110}面族环，这个环几乎全由近［111］取向的等效晶粒的{110}衍射斑点构成，实际上直径160nm范围内还可有少量高指数取向的等效晶粒，它们的衍射斑不在这个环上。由此可推知等效晶粒的直径应为几纳米到几十纳米。

图3是喷丸样品直径600nm范围的TEM图像，图3(a)为TEM明场像，图3(b)为该区域的衍射图，衍射图呈现为多晶环图。c，d，e，f，g和h图分别对应于b图上的{110}面族环上的1，2，3，4，5和6处反射的暗场像。图3在更大的喷丸区域内，更为直观地展示了等效晶粒的分布和大小。等效晶粒的直径应为几纳米到几十纳米。为了进一步揭示40CrNi2Si2MoVA钢喷丸后材料表层微观组织结构，利用高分辨电子显微术(HREM)对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品进行了观察分析。

图4是未喷丸样品［111］方向的HREM像及HREM放大过滤像，图上标示的0．204nm是(011)的面间距，插图为该区的傅里叶变换图，可见到未喷丸样品的晶格整齐清晰。图5是喷丸样品［111］方向的HREM像及HREM放大过滤像，图上标示的0．204nm是(011)的面间距，插图为该区的傅里叶变换图。喷丸样品在观察的视野中，普遍地出现了More条纹，这是在一个晶粒内，沿电子束入射方向［111］上下相叠的两片晶体产生的More条纹。两片晶体间倾转的角度不能在HREM像上看到，但可在傅里叶变换图上测到β=23°，即图上(011)和f间的夹角(f点是另一片晶体的(011))，图上m和m'是对应着More条纹的反射点。按公式More条纹的宽度D=d/(2*sin(β/2))=0．204/(2sin(23/2))=0．512nm，而More条纹的实测值为0．5nm，计算值与实测值符合得很好。

图6是喷丸样品［110］方向的HREM像及HREM过滤像，图上标示的0．204nm是(011)的面间距，插图为该区的傅里叶变换图。图6整个视野是一片电子束入射方向为［110］的晶体片，而其上叠加了另一［110］取向的晶体片，即图6(b)上出现More条纹的这部分，这部分晶体绕［110］倾转了16°，在HREM过滤像和傅里叶变换图上都显示出了这个角度。More条纹宽度，计算值为D=0．204/(2sin(16/2))=0．733nm，实测值为0．73nm，符合得很好。图5和图6显示的相叠的两部分晶体是喷丸强化形成的，一个单晶体(晶粒)在外力的作用下，产生晶格畸变，一部分相对另一部分倾转造成了晶粒的细化。由上述对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品的TEM和HREM的观察与分析，可见:喷丸使晶粒细化，生成许多由几纳米到几十纳米的等效晶粒，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象;“有效晶粒”间的角度由几度到几十度(由TEM衍射图测得4°，9°，17°，20°，23°和30°，HREM测得16°和23°)。喷丸强化使40CrNi2Si2MoVA钢表层组织晶粒、亚晶粒产生塑性变形，导致晶格畸变，出现了马氏体“有效晶粒”现象，从而使晶粒细化。研究表明［9］，晶粒细化可以提高钢的抗疲劳性能。塑性变形在力方面的体现为残余应力，而在形状方面的体现为晶格畸变，残余应力的本质就是晶格畸变［10］，因此，强化层内残余压应力与微观结构的变化是伴生的。

3结论

(1)喷丸使40CrNi2Si2MoVA钢表层组织细化，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象;“有效晶粒”尺寸为几纳米到几十纳米。(2)喷丸使40CrNi2Si2MoVA钢表层晶粒间发生倾转，转动角度为几度到几十度。

作者：刘天琦 李春志 盛伟 王强 单位：北京航空材料研究院