零件材料表面完整性與斷裂應力和殘余壓應力

一、 工程材料/零件經過各種冷、熱加工處理后,材料基體獲得了一定的顯微組織結構(Microstructure -Ms),該MS決定了工程材料的常規力學性能,如抗拉強度(o)、屈服強度(0.2)、延伸率(2)、面縮(4)等。一般地講,材料基體的Ms,決定了材料的常規力學性能。

此外,一些金屬材料在單調或循環應力作用下,裂紋的起裂不在基體材料的內部,而是起裂于材料的外表面,經過一段亞臨界裂紋擴展最后導致失穩斷裂。如材料的疲勞斷裂(Fatigue fracture -FF應力腐蝕開裂(Stress corrosion cracking-SCC)、氫致脆性斷裂 (Haydrogen embrittlement fracture-HEF)等,均屬這種類型的宏觀脆性斷裂。對這種類型的斷裂,可統稱為“表面起裂引發的斷裂” (Fracture induced by surface cracking -FISC),工程材料的FISC性能,往往不是取決于基體材料的Ms,而是取決于材料的表面狀態,即首先取決于材料的表面完整性(Surface integrity-SD) ,其次才取決于基體材料的MS。由此可見,試驗研究這類FISC力學性能,改進和提高發生PISC材料/零件在各種服役場合下的使用性能,應首先研究S1對這類材料/零件FISC力學性能的影響。

二、工程材料/零件的表面完整性

這里所研究的SI是對工程材料的FISC性能有直接影響的顯微組織參量、物理化學參量以及表面輪廓形貌等三方面的參量。而影響這些參量變化的是材料/零件在制造過程中所經受的各種冷熱加工

上面已經講述了材料基體力學性能與其MS間的關系,對于由原材料加工制成的機械零件而言,其FISC性能首先取決于材料/零件的SI.這里同樣可以認為,一定的加工工藝決定了零件具有一定的SI,而一定的SI又決定了零件的FISC性能。根據以上的論述,可以對控制材料/零件表面起裂引發失穩斷裂的表面完整性做出以下狹義的定義：凡能改變表面起裂引發失穩斷裂的工程材料/零件的表面(層)顯微組織結構參量、力學性能參量、殘余應力參量以及表面應力集中等參量之總和,稱作表面完整性。至今為止,國內外公開發表的大量的試驗研究結果均已表明,無論工程材料/零件的基體強度之高低,凡發生FISC破壞者,其表面完整性總是起著決定性的作用。

三、表征表面完整性的物理量

采用各種物理量來表征和度量SI中的各種參量。圖1示出的方塊圖詮釋了表征各參量的各種物理量。通過試驗測定加工處理前后材料/零件的各種物理量,由此獲得加工處理前后兩種狀態的表面完整性參量。根據各種SI參量對材料/零件FISC性能影響的一般規律性,再根據加工處理前后兩種S1參量變化的對比分析,便可評定新的SI參量將對材料/零件FISC性能影響的趨勢1-。然后,再根據這些影響趨勢,通過調整加工處理工藝規范來調整表征SI諸參量,最終可獲得優化的SI,由此使材料/零件達到具備優良FISC性能的目的。

四、噴丸強化工藝技術在改善零件表面完整性中的作用

近百年來在工程上用以改變零件SI的表面強化工藝已有十余種,至今為止,在工程上應用最廣覆蓋面最大的莫過于表面噴丸形變強化工(Shotpeeningstrengthening technology-SP), SP已在航空、航天、汽車、機車、石油、礦山、兵器、機械基礎件(彈簧、齒輪、鏈條等)等的制造業中獲得了最廣泛的應用。由噴丸機床、噴丸介質和噴丸強化工藝技術三大要素構成的表面噴丸形變強化工程,已經發展成為國民經濟中具有龐大規模的新型行業部門,承擔起為我國機器制造業提供各種表面強化機床(2-6軸聯動的數控噴丸機床)、強化用介質(各種類別、尺寸、硬度的彈丸)、強化處理工藝規范、標準以及強化處理工藝技術等。噴丸過程就是靶材表面發生循環塑性變形的過程,也是改變靶材表面完整性的過程。因此,噴丸強化就是通過改變靶材表面完整性來達到提高疲勞、應力腐蝕與氫脆這類宏觀脆性斷裂的斷裂抗力(Fracture re sistance)的目的。