專利名稱：提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，具體地說(shuō)，是一種優(yōu)化雙相材料表面強(qiáng)化的加載應(yīng)力噴丸處理方法。
背景技術(shù)：
表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)，是提高機(jī)械零部件疲勞壽命及應(yīng)力腐蝕抗力等的關(guān)鍵制造工藝。噴丸強(qiáng)化因素包括兩個(gè)方面，即殘余應(yīng)力強(qiáng)化和組織強(qiáng)化。組織強(qiáng)化可有效防止裂紋萌生，而殘余應(yīng)力強(qiáng)化則具有防止裂紋擴(kuò)展的作用?？刂七@兩個(gè)因素，可以改變零構(gòu)件的表面性能，使材料疲勞壽命及應(yīng)力腐蝕抗力等獲得明顯改善。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，M. Kobayashi等人在《國(guó)際疲勞雜志(International Journal of Fatigue)》(1998 年，第 20 卷，351-357 頁(yè))上發(fā)表的“噴丸殘余應(yīng)力生成機(jī)制(Mechanism of creation of compressive residualstress by shot peening) ”論文,研究了噴丸強(qiáng)化殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的生成機(jī)制,發(fā)現(xiàn)最大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在次表層，而表面殘余壓應(yīng)力值反而較小。C. A. Rodopoulos等人在《國(guó)際疲勞雜志(International Journal of Fatigue)》(2004 年，第 26 卷，別9-856 頁(yè))上發(fā)表的“2024-Τ351鋁合金受控噴丸疲勞抗力的優(yōu)化-方法、結(jié)果與分析(Optimisationof the fatigue resistance of 2024-T35Ialuminium alloys by controlled shotpeening-methodology, results and analysis) ”論文，研究了噴丸強(qiáng)化對(duì)金屬材料表面顯微硬度的影響，發(fā)現(xiàn)在單一噴丸條件下，噴丸形變層顯微硬度的提高存在一定的極限。而Volker Schulze在第8屆國(guó)際噴丸會(huì)議發(fā)表的“經(jīng)噴丸處理后的表層的表征(Characteristics of surface layers produced by shot peening)，，(2002年9 月，16-20頁(yè))上研究表明在相同的噴丸條件下，材料的硬度越高，其表面的殘余壓應(yīng)力越大。在雙相材料中，兩物相的硬度常因結(jié)構(gòu)不同，成分不同而使物相的硬度不同。當(dāng)物相硬度相差較大時(shí)，常規(guī)噴丸后在表層兩物相的最大殘余壓應(yīng)力值往往會(huì)相差較大，這樣就不利于整體提高材料的表面性能。而Johan Johansson等在《冶金與材料處理》(Metallurgicaland Materials Transactions)中研究論文“雙相鋼中奧氏體與鐵素體在循環(huán)載荷下的負(fù)載分配(Load sharing between austenite and ferrite in a duplex stainless steelduring cyclic loading) ”中提到低硬度的鐵素體具有較低的屈服強(qiáng)度和較高的彈性回復(fù)力。而整體材料的屈服強(qiáng)度取決于兩相的屈服強(qiáng)度的大小。在相同的噴丸條件下，雙相材料硬度越低的物相，殘余應(yīng)力最大值將越小，這樣便不利于材料表面性能整體的提高。當(dāng)?shù)陀捕任锵嗑哂休^高的彈性回復(fù)強(qiáng)度時(shí)，采用預(yù)加載應(yīng)力噴丸加工，將能進(jìn)一步提高低硬度物相殘余應(yīng)力的最大值。因此，預(yù)加載荷噴丸有利于進(jìn)一步提高低硬度物相的殘余應(yīng)力，減小兩相材料表面殘余最大應(yīng)力的差異，促進(jìn)兩相殘余壓應(yīng)力分布的均勻性，有利于提高整體材料表面的殘余壓應(yīng)力，促進(jìn)優(yōu)化雙相材料的表面性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，該方法為在待處理材料兩端加載預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強(qiáng)度，然后在相同的拋丸強(qiáng)度下，利用氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理。所述的待處理材料為兩相材料，兩相材料為高硬度物相和低硬度物相，其中低硬度物相有高的彈性回復(fù)。
所述的待處理材料為含有奧氏體和鐵素體兩相的雙相鋼。所述的待處理材料兩端加載的預(yù)應(yīng)力為350MPa。所述的氣壓式噴丸機(jī)的噴丸強(qiáng)度為O. 18mmA，噴丸時(shí)間為30秒，覆蓋率為100%。氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理后的產(chǎn)品采用X射線衍射儀對(duì)不同的物相殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，不同的物相均采用相應(yīng)高角度的衍射角進(jìn)行測(cè)試。本發(fā)明的目的在于針對(duì)硬度不同，相彈性回復(fù)強(qiáng)度不同的兩相材料在普通噴丸技術(shù)中的不足，提供一種既提高兩相表面強(qiáng)化又促進(jìn)兩相表面殘余應(yīng)力均勻分布的噴丸處理方法。在低硬度物相的屈服范圍內(nèi)選擇外載荷預(yù)應(yīng)力，進(jìn)一步提高低硬度物相的最大殘余應(yīng)力，促使提高材料的整體表面性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的是進(jìn)一步提聞兩相材料中低硬度聞彈性物相表面的最大殘余應(yīng)力。在低硬度高彈性回復(fù)強(qiáng)度物相的屈服范圍內(nèi)，對(duì)試樣加載拉應(yīng)力進(jìn)行噴丸處理，既鞏固了噴丸強(qiáng)化效果，又利于進(jìn)一步提高低硬度物相的殘余應(yīng)力，減小兩相材料表面最大殘余應(yīng)力的差異。在350MPa的加載下,各物相表面殘余壓應(yīng)力分別比沒(méi)有加載時(shí)提高了 17.08% (奧氏體)和30. 04% (鐵素體)，兩物相的殘余應(yīng)力差異值由130MPa降低到了 59MPa。此外，預(yù)應(yīng)力噴丸與傳統(tǒng)噴丸相比，僅需要增加預(yù)應(yīng)力裝置，不需要更換噴丸設(shè)備和彈丸，設(shè)備及物資投資小，工藝操作簡(jiǎn)單，對(duì)低硬度高彈性物相的殘余應(yīng)力提高明顯。本發(fā)明的工作原理成熟，在普通噴丸機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)，實(shí)施方案簡(jiǎn)便易行。


圖I為實(shí)施例中預(yù)應(yīng)力噴丸的拉伸加載模型；圖2為實(shí)施例雙相鋼S32205中奧氏體預(yù)應(yīng)力噴丸和傳統(tǒng)噴丸殘余應(yīng)力在材料表層沿層深的分布曲線；圖3為實(shí)施例雙相鋼S32205中鐵素體預(yù)應(yīng)力噴丸和傳統(tǒng)噴丸殘余應(yīng)力在材料表層沿層深的分布曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例
本實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)材料雙相鋼S32205，噴丸試樣尺寸50 X 10 X 5mm3，編號(hào)為I號(hào)。在上述待處理材料I號(hào)試樣兩端加載預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力也是通過(guò)拋丸機(jī)進(jìn)行加載，然后在與預(yù)應(yīng)力相同的拋丸強(qiáng)度下，利用氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理。實(shí)施時(shí)，利用氣動(dòng)式噴丸機(jī)進(jìn)行復(fù)合噴丸處理。首先對(duì)I號(hào)試樣實(shí)施一次噴丸，噴丸條件為，氣壓0.5MPa，噴丸強(qiáng)度O. 18mmA。所用彈丸均為陶瓷彈丸(直徑O. 3毫米，硬度700HV)。 作為對(duì)比，選擇材料和試樣尺寸與I號(hào)試樣相同的樣品進(jìn)行應(yīng)力加載噴丸，編號(hào)為2號(hào)(噴丸氣壓為350MPa)，3號(hào)(噴丸氣壓為400MPa)，4號(hào)(噴丸氣壓為450MPa)，噴丸設(shè)備和噴丸條件與試樣I號(hào)噴丸完全相同。應(yīng)力加載模型如圖I所示。殘余應(yīng)力評(píng)價(jià)分別利用X射線應(yīng)力儀，測(cè)量上述I 4號(hào)樣品的噴丸表層殘余應(yīng)力分布、結(jié)果分別為圖2及表I 2所示。圖2和圖3分別為奧氏體和鐵素體在未加載與不同大小加載下噴丸材料表層殘余應(yīng)力沿層深的分布曲線。在相同的噴丸條件下，殘余壓應(yīng)力的最大值和壓應(yīng)力分布的層深隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大，說(shuō)明預(yù)載荷應(yīng)力噴丸分別提高了兩物相的殘余壓應(yīng)力。表I為加載不同預(yù)應(yīng)力噴丸后，兩物相在表層的最大殘余應(yīng)力。在沒(méi)有加載時(shí)噴丸后，奧氏體的殘余壓應(yīng)力比鐵素體體多130MPa ;在加載350MPa時(shí)，奧氏體的殘余壓應(yīng)力比鐵素體多59MPa ；在加載400MPa時(shí)，奧氏體的殘余壓應(yīng)力比鐵素體多94MPa ;在加載450MPa時(shí)，奧氏體的殘余壓應(yīng)力比鐵素體多179MPa。在加載350MPa時(shí)，奧氏體的殘余壓應(yīng)力與鐵素體最接近，促進(jìn)了材料表面的殘余應(yīng)力分布的均勻性。這是由于噴丸卸載后，鐵素體的彈性回復(fù)強(qiáng)度更大而產(chǎn)生。表2表明，加載后的最大殘余應(yīng)力(相對(duì)未加載)增長(zhǎng)率隨著預(yù)應(yīng)力的增大而增大,而且鐵素體殘余應(yīng)力的增長(zhǎng)率都高于奧氏體。在加載350MPa時(shí)，鐵素體的殘余壓應(yīng)力比奧氏體的增長(zhǎng)率最大，更有利于提高材料表面的殘余應(yīng)力分布的均勻性。該材料的屈服強(qiáng)度為450MPa，又因?yàn)殍F素體的屈服強(qiáng)度低于奧氏體，可得知鐵素體的屈服強(qiáng)度一定低于450MPa。當(dāng)負(fù)載接近或高于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，奧氏體的回復(fù)將明顯增加，這樣反而不利于兩相最大殘余應(yīng)力值差異的減小。因此，提高低硬度物相的殘余應(yīng)力應(yīng)選擇在低硬度物相的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，而不是整體材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。表I加載不同預(yù)應(yīng)力噴丸后，兩物相的量大殘余應(yīng)力
OMpa3 SOMpa_400Mpa 450Mpa
奧氏體 84999410841189
鐵素體 719_93S9901010表2加載后的最大殘余應(yīng)力(相對(duì)未加載)增長(zhǎng)率
權(quán)利要求
1.一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，該方法為在待處理材料兩端加載預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強(qiáng)度，然后在相同的拋丸強(qiáng)度下，利用氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，所述的待處理材料為兩相材料，兩相材料為高硬度物相和低硬度物相，其中低硬度物相有高的彈性回復(fù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，所述的待處理材料為含有奧氏體和鐵素體兩相的雙相鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，所述的待處理材料兩端加載的預(yù)應(yīng)力為350MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，所述的氣壓式噴丸機(jī)的噴丸強(qiáng)度為O. 18mmA,噴丸時(shí)間為30秒,覆蓋率為100%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，其特征在于，氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理后的產(chǎn)品采用X射線衍射儀對(duì)不同的物相殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，不同的物相均采用相應(yīng)高角度的衍射角進(jìn)行測(cè)試。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強(qiáng)化的噴丸方法，該方法為在待處理材料兩端加載預(yù)應(yīng)力，該預(yù)應(yīng)力的強(qiáng)度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強(qiáng)度，然后在相同的拋丸強(qiáng)度下，利用氣壓式噴丸機(jī)進(jìn)行噴丸處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明屬于一種優(yōu)化表面強(qiáng)化技術(shù)，僅需要增加預(yù)應(yīng)力裝置，設(shè)備及物資投資小，工藝操作簡(jiǎn)單，表面優(yōu)化效果明顯。本發(fā)明的工作原理成熟，對(duì)有利于提高硬度低但其彈性回復(fù)力高物相的殘余壓應(yīng)力。從而優(yōu)化整個(gè)材料表面殘余壓應(yīng)力分布的均勻性，實(shí)施方案簡(jiǎn)便易行。
文檔編號(hào)B24C1/00GK102922431SQ20121046558
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者姜傳海, 馮強(qiáng), 詹科 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)