華 程,姚 蘭,楊 屹,李 維,易吉豪
(1. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都 610092;2. 成都紡織高等專科學(xué)校,四川 成都 611731)
疲勞斷裂是航空零部件發(fā)生失效的主要模式,且大多數(shù)零部件疲勞斷裂時(shí)疲勞裂紋源在表面[1],為了航空零部件特別是關(guān)鍵重要件的延壽,工藝技術(shù)人員對提高航空零部件的疲勞強(qiáng)度和改善其疲勞性能做了大量的研究工作[2-8]。抗疲勞強(qiáng)化技術(shù)一直是航空高可靠性、長壽命必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。其中,噴丸強(qiáng)化因具有成本低廉、效果顯著和壓應(yīng)力場深的特點(diǎn),同時(shí)零部件在噴丸強(qiáng)化過程中可以形成有效的殘余壓應(yīng)力,對零部件表面進(jìn)行形變強(qiáng)化不僅可以大大改善其疲勞性能,同時(shí)也可以顯著提高應(yīng)力腐蝕開裂抗力,因此表面噴丸強(qiáng)化能夠有效地提高零部件使用的可靠性和耐久性。在傳統(tǒng)的一次鑄鋼噴丸的基礎(chǔ)上,采用復(fù)合噴丸強(qiáng)化,即先采用高強(qiáng)度鑄鋼噴丸再采用低強(qiáng)度陶瓷噴丸的二次噴丸的工藝,則能更進(jìn)一步改善材料的表面完整性,植入更大的殘余壓應(yīng)力,從而進(jìn)一步地延長疲勞壽命。此前復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝在A - 100超高強(qiáng)度鋼上已獲得驗(yàn)證[9,10],復(fù)合噴丸強(qiáng)化已成為超高強(qiáng)度鋼噴丸強(qiáng)化的一個(gè)發(fā)展方向。
PH13 - 8Mo(0Cr13Ni8Mo2Al)材料是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼,具有良好的耐蝕性、較高強(qiáng)度和斷裂韌性,已在航空上大量用于制造疲勞關(guān)鍵零件[11-13],這些承力零件經(jīng)常在高壓、高載等惡劣條件下工作,再加上高強(qiáng)度合金材料突出的弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對應(yīng)力集中敏感[14],其疲勞和可靠性問題引起高度重視。高玉魁等[15,16]研究了傳統(tǒng)鑄鋼噴丸強(qiáng)化對PH13 - 8Mo不銹鋼疲勞壽命的影響,而PH13 - 8Mo復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝研究尚未見報(bào)道。復(fù)合噴丸強(qiáng)化在高強(qiáng)度不銹鋼上實(shí)施的抗疲勞響應(yīng)效果如何值得研究,因此本工作針對PH13 - 8Mo常用的3種熱處理狀態(tài)H510、H540和H550,開展復(fù)合噴丸強(qiáng)化工藝研究,研究表面形貌、表面粗糙度和殘余應(yīng)力場等對疲勞性能的影響,以滿足航空上對PH13 - 8Mo關(guān)鍵零件抗疲勞強(qiáng)化的迫切需求。
試驗(yàn)材料為PH13 - 8Mo -φ70 mm固溶狀態(tài)鋼棒,其化學(xué)成分實(shí)測值見表1。鋼棒粗加工后進(jìn)行最終熱處理(固溶處理+冷處理+時(shí)效處理),其中固溶處理:925 ℃保溫1 h;冷處理:0 ℃保溫2 h;時(shí)效處理:H510、H540和H550分別對應(yīng)510 ℃保溫4 h,540 ℃保溫4 h和550 ℃保溫4 h。每種熱處理狀態(tài)加工3根縱向標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒,按GB/T 228.1-2010測試PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP 0.2、斷后伸長率A5、斷面收縮率Ψ、沖擊值A(chǔ)Ku)平均值見表2。
表1 PH13 - 8Mo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %
表2 PH13 - 8Mo鋼最終熱處理后的力學(xué)性能
將最終熱處理后的PH13 - 8Mo棒材分別加工成15 mm×15 mm×20 mm板型的試樣和如圖1所示的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣。板型試樣用于表面形貌、表面粗糙度和殘余應(yīng)力場的測試,應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1和Kt=2的旋轉(zhuǎn)彎曲試樣用于疲勞壽命的測試,獲得噴丸工藝在不同的應(yīng)力集中系數(shù)下的疲勞增益響應(yīng)。板型試樣和旋轉(zhuǎn)彎曲試樣按表3的要求進(jìn)行噴丸后對比測試,每種噴丸狀態(tài)至少測試5根疲勞試樣。采用TRAALTECHNIE數(shù)控氣動(dòng)式噴丸機(jī)噴丸,使用的彈丸為鑄鋼丸S230和陶瓷丸Z300,具體噴丸強(qiáng)化參數(shù)見表3。
表3 PH13 - 8Mo鋼噴丸工藝參數(shù)
用Zeiss sigma300掃描電鏡觀察板型試樣的受噴表面和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣的斷口。板型試樣受噴表面采用FTS - i120表面輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度測試。將板型試樣電解拋光,并采用iXRD - Combo型X射線殘余應(yīng)力分析儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。在不同應(yīng)力水平下,在PQ6 - 9旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上按HB 5152-1996進(jìn)行疲勞性能測試。
表4為不同的噴丸工藝條件下,Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞壽命測試結(jié)果(最大應(yīng)力σmax=800 MPa,循環(huán)特征R=-1)。表5為不同的噴丸工藝條件下,Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的疲勞壽命測試結(jié)果(σmax=550 MPa,R=-1)。特別說明,對于Kt=1疲勞試樣,復(fù)合噴丸相對一次噴丸而言,H540狀態(tài)和H550狀態(tài)的增益在1倍以上,而H510的只有0.3倍,因此補(bǔ)充H510的Kt=2狀態(tài)下的壽命增益相比,因?yàn)橥ǔ?yīng)力集中系數(shù)越大,噴丸增益效果越明顯。表4和表5中的壽命增益I為“一次噴丸試樣中值疲勞壽命”減去“未噴丸試樣中值疲勞壽命”再除以“未噴丸試樣中值疲勞壽命”,壽命增益II為“復(fù)合噴丸中值疲勞壽命”減去“一次噴丸中值疲勞壽命”再除以“一次噴丸中值疲勞壽命”。
表4 PH13 - 8Mo鋼Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命對比
表5 PH13 - 8Mo鋼Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命對比
由表4可見,PH13-8Mo采用噴丸強(qiáng)化延長材料疲勞壽命潛力較大,H510、H540和H550狀態(tài)下試樣經(jīng)過一次噴丸強(qiáng)化,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣(Kt=1)的中值疲勞壽命至少延長了1個(gè)數(shù)量級,經(jīng)復(fù)合噴丸后的試樣,在一次噴丸的基礎(chǔ)上疲勞壽命獲得進(jìn)一步的延長,其中H540和H550狀態(tài)的疲勞壽命均延長1倍以上,而H510狀態(tài)復(fù)合噴丸較一次噴丸的疲勞壽命提升相對較少,僅提升0.3倍。但從表5可知,當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)為Kt=2時(shí),H510狀態(tài)復(fù)合噴丸較一次噴丸的疲勞壽命增益顯著,提升了5.5倍。
疲勞斷裂屬于“表面起裂引發(fā)的斷裂”,它往往不取決于基體材料的顯微組織結(jié)構(gòu),而取決于材料的表面狀態(tài)。噴丸強(qiáng)化可改善材料表面形貌、表面粗糙度和表層殘余應(yīng)力場。復(fù)合噴丸強(qiáng)化較一次噴丸強(qiáng)化獲得的疲勞壽命增益效果均與此有關(guān)。
在表面形貌方面,機(jī)械加工零件的表面往往留有較深的加工刀痕,尤其是一些加工難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件或部位,如內(nèi)腔、異型面等加工,在成形后肉眼看見顯著的加工刀痕。研究表明[17,18],零件發(fā)生疲勞斷裂,裂紋源往往萌生在這些加工刀痕的地方,這是由于加工刀痕相當(dāng)于在零件表面的微小缺口,這些缺口雖然深度不大,但是寬度卻很窄,從力學(xué)角度分析,在外載作用下這些小缺口將會引發(fā)較大的應(yīng)力集中。因此對于噴丸而言,最基本的要求是掩蓋加工刀痕,即噴丸處理后的加工刀痕應(yīng)被彈丸沖擊彈坑所取代。圖2為不同噴丸工藝下,板型試樣受噴表面形貌。由圖2可見,對于H510狀態(tài),一次噴丸能夠掩蓋加工刀痕,經(jīng)復(fù)合噴丸后表面更加平整。而對于H540和H550狀態(tài),一次噴丸后無法完全掩蓋加工刀痕,這可能與彈丸及受噴材料的匹配有關(guān),經(jīng)復(fù)合噴丸后加工刀痕減輕,且表面更加平整。表面狀態(tài)越差,噴丸強(qiáng)化效果越顯著[19],這也是H540和H550狀態(tài)的復(fù)合噴丸相對鑄鋼噴丸疲勞壽命增益更顯著的原因之一。同理,材料的應(yīng)力集中系數(shù)增加,強(qiáng)化增益效果隨之顯著增加,與一次噴丸強(qiáng)化相比,Kt=2復(fù)合噴丸強(qiáng)化的增益效果也顯著優(yōu)于Kt=1的。
在表面粗糙度方面,一般來說,表面粗糙度越大,應(yīng)力集中越嚴(yán)重,材料的疲勞壽命會隨之降低。表6為不同噴丸工藝條件下,板型試樣受噴表面粗糙度。由表6可知,PH13 - 8Mo材料在3種熱處理狀態(tài)下,復(fù)合噴丸表面粗糙度均略優(yōu)于一次噴丸。
表6 不同噴丸工藝條件下板型試樣受噴表面粗糙度
在殘余應(yīng)力場方面,圖3為在不同噴丸條件下,H510狀態(tài)板型試樣殘余應(yīng)力場分布。
由圖3可知,未噴丸試樣的殘余壓應(yīng)力值小,深度約為100 μm。一次噴丸強(qiáng)化后,試樣近表層(0~200 μm)的殘余壓應(yīng)力值大幅增加。增加復(fù)合噴丸后,又進(jìn)一步增加了試樣近表層(0~250 μm)的殘余壓應(yīng)力值。
圖4為510狀態(tài)試樣疲勞斷口裂紋萌生位置的SEM形貌。在試樣工作端截面,旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞應(yīng)力呈梯度分布,即表面應(yīng)力高,內(nèi)部應(yīng)力低。未噴丸試樣表面由于存在加工痕跡的應(yīng)力集中,疲勞裂紋首先在表面萌生,見圖4a。而經(jīng)一次噴丸或復(fù)合噴丸后,在近表層植入更深的殘余壓應(yīng)力,從而有效降低試樣表面受到的有效循環(huán)拉應(yīng)力,表面應(yīng)力集中降低,如圖4b和4c所示,疲勞薄弱點(diǎn)由試樣表面轉(zhuǎn)移到試樣次表層,即提高了疲勞裂紋萌生的外加載荷門檻值,因此試樣的疲勞性能提高1個(gè)數(shù)量級。
(1)與未噴丸相比,PH13 - 8Mo鋼噴丸強(qiáng)化后的疲勞壽命至少延長1個(gè)數(shù)量級。
(2)與一次噴丸相比,PH13 - 8Mo鋼復(fù)合噴丸后的表面粗糙度和表面形貌均較優(yōu)。
(3)與一次噴丸相比,復(fù)合噴丸對PH13 - 8Mo鋼殘余應(yīng)力場的影響主要是來自于復(fù)合噴丸增加了近表層的殘余壓應(yīng)力值。
(4)與一次噴丸相比,H540和H550狀態(tài)的復(fù)合噴丸的疲勞增益效果顯著優(yōu)于H510狀態(tài)。在σmax=800 MPa,R=-1條件下,H510、H540和H550狀態(tài)Kt=1旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命分別延長了0.3倍、1.4倍和1.4倍。
(5)與一次噴丸相比,Kt=2復(fù)合噴丸增益效果顯著優(yōu)于Kt=1。在σmax=550 MPa,R=-1條件下,Kt=2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命延長了5.5倍。