高能喷丸表面纳米化对工业纯钛疲劳性能的影响

工程上材料的失效大多始于材料表面，因此 研究表面强化技术对提高机械零件的使用寿命具 有重要的意义。表面纳米化是近年来由卢柯和吕坚提出的，即利用各种物理或化学方法在材料 的表面制备具有纳米晶粒尺寸的表层，从而借助 于纳米材料超细晶粒组织的特点，使材料得到表 面改性。目前利用高能喷丸(机械表面研磨)已 在多种金属材料表面得到了纳米化表层。

尽管目前已经对表面纳米化机理和性能进行 了较广泛和深入的研究，但对疲劳性能的了解 还很不够。本研究在利用高能喷丸技术实现工业纯钛表面纳米化的基础上，探讨了高能喷丸表 面纳米化对工业纯钛疲劳性能的影响，分析了高 能喷丸和普通喷丸对工业纯钛的组织、硬度、疲 劳性能和断口的变化。

1.试验材料及方法

试验材料为4mm厚的工业纯钛(TA2)板。先 将钛板在真空炉中进行均匀化退火(真空度为 1✖️10-3Pa，退火温度为800度，保温时间为60 min），然后用线切割方式按图l加工疲劳试样。 用改进的QPL30型履带式抛丸机对疲劳试样进 行滚动高能喷丸表面纳米化处理和普通喷丸处 理。喷丸工艺为:1mm直径的Cr-Mo钢球，弹丸速度55m/S，普通喷丸和纳米化喷丸等时间分别为6和360min。

在MTS3 1 8型电液伺服万能实验机上做三点 弯曲疲劳试验，应力为R=0.1，应力循环次数为 2x 10的6次方疲劳实验，频率20HZ。用JSM.6360LV 扫描电镜进行微观组织观察及疲劳断口分析。表 层的显微硬度用FM.7000型半自动数字显微硬度计测量，载荷为259，保荷时间为15s，不同深度 测5点取平均值。

2.实验结果及分析

2.1微观组织

图2为不同工艺喷丸后的金相组织。由图2可以看出，喷完后表面出现了大量的孪晶。由于 在喷丸前样品在8000C进行了退火，消除了原始 组织中的孪晶，因此可以认为所发现的孪晶，都 是在喷丸过程中形成的。经普通喷丸后，表层出 现交叉孪晶，随深度的增加，交叉孪晶减少，孪 晶密度也在降低。纳米化喷丸后，变形层深度增 加，变形程度也明显提高。在塑性变形最强烈的 区域，扫描电镜下已不能分辨是否存在孪晶。

2.2表层硬度

对不同工艺喷丸试样表层的显微硬度进行了测定，结果如图3所示。由图3可见，普通喷丸 后，表层形成了部分相互交割的孪晶，使表面硬度有所提高。经高能喷丸(HESP)处理后表面的显微硬度与心部基体相比显著提高，对比图2中 的金相组织可以看出，对应于组织中的强烈变形 区，显微硬度提高最显著。在我们已进行的工作 中已经证实，这一范围得到了纳米级晶粒。另 外，由图3可以看出，普通喷丸距表面不到 100pm，硬度已经接近基体硬度，而高能喷丸试 样直到约500pm硬度才接近基体，即高能喷丸处 理后试样的塑性变形层也比普通喷丸要深得多。

2.3疲劳强度

在本研究的试验中，高能喷丸和普通喷丸条 件下，试样的疲劳强度分别为460 MPa和485MPa。与原始退火态的工业纯钛的疲劳强度410MPa相比，无论是高能喷丸还是普通喷丸，都使疲劳强度有了一定的提高。但是，高能喷丸使疲劳强度提高了12%，略低于普通喷丸的18%。

用扫描电镜对疲劳试样断口进行了细致观 察。在普通喷丸断口上没有发现裂纹源处存在缺 陷。图4分别为不同应力下疲劳裂纹源处的SEM 像。但在高能喷丸断口裂纹源处，发现有喷丸造 成的机械损伤，表面深坑(图5(a))和微裂纹(图 5(b))，而且在低应力水上，这样的缺陷也能成为裂纹源，使疲劳强度降低。

如2.1节所述，高能喷丸使得试样表面发生强烈的加工硬化、并在表层形成了纳米晶粒的组 织，并在表层一定的残余压应力。大量的研究表 明，表面强度的提高和晶粒的细化都将增加疲劳 裂纹产生的阻力，从而有利于提高材料的疲劳极 限。而一定的表层残余压应力将抑制疲劳裂纹的 扩展，甚至使其成为非扩展裂纹从而使疲劳极限 进一步提高。最近对工业纯钛表面纳米化的研究表明，当晶粒最细的纳米化表层，晶粒中缺陷较 少。因此很可能会避免形变孪生造成的微观损 伤，提高疲劳强度。因此与普通喷丸相比，高能喷丸能够形成提高疲劳强度的更为有利的因素。

但在另一方面，高能喷丸普遍对试样表面造 成了损伤，而这些损伤无疑是严重降低疲劳极限 的主要因素，从而难以发挥出高能喷丸所形成的 提高疲劳极限的有利因素，同时也使得试样表层 未能够反映出纳米组织效应，钛又是一个对表面 状态敏感的金属。

因此可以认为，表面损伤是高能喷丸未能进一步提高疲劳强度的主要原因。 所以，有必要进行进一步的高能喷丸工艺研究， 在得到最佳纳米化效果的同时降低或者消除表面 的损伤，这样将有可能更大幅度的提高疲劳强度。

3.结论

高能喷丸可以使工业纯钛表层晶粒纳米化表层硬度明显提高，同时也能在表层形成一定的残余压应力场，因此疲劳强度得到提高。

但如果高能喷丸在材料表面造成了机械损伤，使得疲劳裂纹在这些损伤处形成，将使疲劳强度的提高不显著（12%），甚至略低于传统喷丸(18%)。优化高能喷丸纳米化工艺，将有助于发挥表面纳米结构组高的表面残余压应力的作用。

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