高能噴丸表面納米化對工業純鈦疲勞性能的影響

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

盡管目前已經對表面納米化機理和性能進行 了較廣泛和深入的研究，但對疲勞性能的了解 還很不夠。本研究在利用高能噴丸技術實現工業純鈦表面納米化的基礎上，探討了高能噴丸表 面納米化對工業純鈦疲勞性能的影響，分析了高 能噴丸和普通噴丸對工業純鈦的組織、硬度、疲 勞性能和斷口的變化。

1.試驗材料及方法

試驗材料為4mm厚的工業純鈦(TA2)板。先?將鈦板在真空爐中進行均勻化退火(真空度為 1??10-3Pa，退火溫度為800度，保溫時間為60?min），然后用線切割方式按圖l加工疲勞試樣。?用改進的QPL30型履帶式拋丸機對疲勞試樣進?行滾動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間分別為6和360min。

在MTS3?1?8型電液伺服萬能實驗機上做三點 彎曲疲勞試驗，應力為R=0.1，應力循環次數為?2x?10的6次方疲勞實驗，頻率20HZ。用JSM.6360LV 掃描電鏡進行微觀組織觀察及疲勞斷口分析。表 層的顯微硬度用FM.7000型半自動數字顯微硬度計測量，載荷為259，保荷時間為15s，不同深度 測5點取平均值。

2.實驗結果及分析

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，噴完后表面出現了大量的孿晶。由于 在噴丸前樣品在8000C進行了退火，消除了原始 組織中的孿晶，因此可以認為所發現的孿晶，都 是在噴丸過程中形成的。經普通噴丸后，表層出 現交叉孿晶，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。在塑性變形最強烈的 區域，掃描電鏡下已不能分辨是否存在孿晶。

2.2表層硬度

對不同工藝噴丸試樣表層的顯微硬度進行了測定，結果如圖3所示。由圖3可見，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，對比圖2中 的金相組織可以看出，對應于組織中的強烈變形 區，顯微硬度提高最顯著。在我們已進行的工作 中已經證實，這一范圍得到了納米級晶粒。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疲勞強度

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

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

如2.1節所述，高能噴丸使得試樣表面發生強烈的加工硬化、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力。大量的研究表 明，表面強度的提高和晶粒的細化都將增加疲勞 裂紋產生的阻力，從而有利于提高材料的疲勞極 限。而一定的表層殘余壓應力將抑制疲勞裂紋的 擴展，甚至使其成為非擴展裂紋從而使疲勞極限 進一步提高。最近對工業純鈦表面納米化的研究表明，當晶粒最細的納米化表層，晶粒中缺陷較 少。因此很可能會避免形變孿生造成的微觀損 傷，提高疲勞強度。因此與普通噴丸相比，高能噴丸能夠形成提高疲勞強度的更為有利的因素。

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

因此可以認為，表面損傷是高能噴丸未能進一步提高疲勞強度的主要原因。 所以，有必要進行進一步的高能噴丸工藝研究， 在得到最佳納米化效果的同時降低或者消除表面 的損傷，這樣將有可能更大幅度的提高疲勞強度。

3.結論

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

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

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