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2014年8月—第8期第364O页材料工程JournalofMaterialsEngineeringAugust2014—No.8PP.3640冲击强化对304奥氏体不锈钢拉伸性能的影响InfluenceofImpactEnhancementsonTensilePropertyof304AusteniteStee1高玉魁(同济大学航空航天与力学学院,上海200092)—GAOYukui(CollegeofAerospaceEngineeringandAppliedMechanics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)摘要:选用304奥氏体不锈钢进行喷丸强化和表面机械研磨等硬球冲击强化。采用x射线衍射和透射电子显微分析技术测定304奥氏体不锈钢冲击强化形成的微观组织结构变化,并进行室温下的拉伸实验,研究冲击强化对微观组织与拉伸性能的影响。结果表明:冲击强化导致奥氏体转变为马氏体,而且表层晶粒明显细化,这提高了屈服强度和抗拉强度等拉伸性能。关键词:喷丸强化;表面机械研磨;相变—doi:10.11868/j.issn.10014381.2014.08.007中图分类号:TG156文献标识码:A———文章编号:10014381(2014)08003605Abstract:304austenitestainlessstee1wasshotpeened(SP)andsurfacemechanica1attritiontreated——(SMAT).MicrostructurechangescausedbyimpactenhancementsweredeterminedbyXraydiffrac—tionandtransmissionelectronmicroscopy.Moreover,theeffectofimpactenhancementsonthemicrostructureandtensilepropertywasstudied.Theresultsshowthataustenitetransformstomartensite—inducedbyimpactattheSUE{aceenhancedlayerandthatfinegrainsareformedinthesevereplasticdeformedsurfacelayer.Thesechangesincreaseyieldstrengthandtensilestrength.Keywords:shotpeening;surfacemechanicalattritiontreatment;phasetransformation304奥氏体不锈钢是国内外广泛应用的一种不锈钢,在航空航天、石油化工、核电能源等工业领域都有很大应用。304奥氏体不锈钢属于亚稳态的不锈钢,在冲击形变作用下可发生马氏体转变,即形变诱发相变,使材料的性能发生变化口]。材料与构件的失效多发生于表面,而且腐蚀、摩擦与疲劳等性能都与表面密切相关。为了提高材料与构件的使用性能,尤其是构件的耐久性、轻质性、可靠性、经济性和安全性,常常在工程上采用表面强化来提高构件的使用寿命、减轻结构质量、提高可靠系数和增加安全裕度_l2]。喷丸强化由于实用性强、适用面广、操作简便而成为工业上常用的表面强化工艺技术,被国内外广泛用来改善构件的使用性能。近年来纳米组织结构成为了新型材料的研究热点之一,而表面机械研磨是一种利用高速运动的弹丸来冲击金属表层实现纳米组织结构的成熟制备技术l_7。研究冲击强化处理对组织结构与力学性能的影响,以获得形变组织结构与力学性能之间的关系,这不仅对于理解冲击强化机理非常重要,而且在工程应用上也有重要意义。本工作采用304奥氏体不锈钢作为研究对象,通过喷丸强化和表面机械研磨来进行冲击强化,以改变表层的组织结构和改善材料的整体力学性能,为进一步发挥材料的强度、塑性及韧性进行理论创新和工程应用的基础探索研究。1实验实验材料为304奥氏体不锈钢,化学成分(质量分数/,下同)为18.2Cr,9.1Ni,0.45Ti,0.52Mn,0.75Si,0.06C,0.05S,0.03P和7O.5Fe。在℃1050下进行1h的真空固溶处理,随后液氮冷却。原始状态即为奥氏体固溶处理,标记为A。对部分试样进行喷丸强化和机械研磨处理。喷丸第8期冲击强化对304奥氏体不锈钢拉伸性能的影响39冲击形变强化改性的研究涉及冲击强化层的组织、残余应力、加工硬化等多方面的研究,冲击强化改性效果与改性层的深度、梯度特性和组织结构相关,强度与韧性的匹配以及深度与梯度特性的匹配都是材料强度性能潜力发挥的关键所在。此外,冲击强化在表层形成了形变纳米组织,其晶粒大小分布与形变的深度、变形的程度和变形的梯度特性都密切相关,这也是影响冲击形变纳米组织性能的主要因素,表面纳米化可改善材料的很多性能[1,因此将是未来纳米组织结构与性能研究所关注的研究内容之一。材料的表面层组织结构不仅影响拉伸性能,而且材料的表面还影响着材料的疲劳、腐蚀和磨损等性能,因此对表面层的组织结构进行设计和优化,已成为国内外表面完整性研究的重要内容[】。此外,采用高能冲击强化对材料表面进行复合改性已成为齿轮和轴承等传动件的关键抗疲劳制造技术[2,因此开展材料表面高能冲击复合强化的科学理论基础研究和新工艺新设备的技术开发研究将是未来非常具有发展潜力的研究方向,其在工程领域将具有十分广阔的应用前景。4结论(1)喷丸强化和机械研磨冲击强化可使304奥氏体不锈钢中亚稳态的奥氏体转变为马氏体。(2)喷丸对退火304奥氏体不锈钢拉伸性能的改善作用不显著,而SMAT对拉伸性能的改善比较显著。SMAT显著提高了退火304奥氏体不锈钢的强度,但不降低其塑性,而喷丸冲击则使塑形显著下降。(3)冲击形变组织的改性效果与改性层的深度、梯度特性和组织结构相关,强度与韧性的匹配以及深度与梯度特性的匹配是材料强度性能潜力发挥的关键。(4)形变纳米组织的晶粒大小分布与形变深度和梯度特性是影响形变纳米组织性能的主要因素,也是未来纳米组织结构与性能研究的重点。[1][2]E3]参考文献—GAOYukui.Microstrueturechangesandresidualstressesofeachphasecausedbyshotpeeningin304austeniticstainlesssteel—[J].JournalofAeronauticalMaterials,2004,24(4):1821.———GAOYukui,YAOMei,SHAOPeige,eta1.Anothermeehanismforfatiguestrengthimprovementofmetallicpartsbyshotpeening[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,—2003,12(5):507511.——GAOYukui,LIXiang-bin,YANGQingxiang,eta1.Influenceofsurfaceintegrityonfatiguestrengthof40CrNi2Si2MoVAsteel—EJ].MaterialsLetters,2007,62(2):466469.—[4]GAOYukui.SurfacemodificationofTA2puretitaniumbylowenergyhighcurrentpulsedelectronbeamtreatmentsf,J].Applied—SurfaceScience,2011,257(17):74557460.Es]GAOYu-kui.Improvementoffatiguepropertyin7050一T7451aluminumalloybylaserpeeningandshotpeeningf,J].Materials——ScienceandEngineering:A,2011,528(1011):38233828.—E6]GAOYukui.wuxR.Experimentalinvestigationandfatiguelifepredictionfor7475一T7351aluminumalloywithandwithout—shotpeeneinginducedresidualstresses[J].ActaMaterialia,—201l,59(9):37373747.—E7]ROLANDT,RETRAINTD,LUK,eta1.Fatiguelifeimprovementthroughsurfacenanostructuringofstainlesssteelbymeansofsurfacemechanicalattritiontreatment[J].ScriptaMaterialia,—2006,54(11):19491954.——[8]HAOYunwei,DENGBo,ZHONGCheng,eta1.Effectofsurfacemechanicalattritiontreatmentoncorrosionbehaviorof316—stainlesssteel[J-1.JournalofIronandSteelResearch,International,2009,16(2):68~72.—[9]SHAWALL,TIANJia-wan,ORTIZAL,eta1.Adirectcornparisoninthefatigueresistanceenhancedbysurfacesevereplasticdeformationandshotpeeningina@2000superalloyf—,J].Materi——alsScienceandEngineering:A,2010,527(45):986994.—f'101TSUJIAN,MAKIT.Enhancedstructuralrefinementbycombiningphasetransformationandplasticdeformationinsteelsf,J].—ScriptaMaterialia,2009,6O(12):10441049.[11]张洪旺,刘刚,黑祖昆,等.表面机械研磨诱导AISI304不锈钢—表层纳米化I.组织与性能[J].金属学报,2003,39(4):342346.—ZHANGHungwang,LIUGang,HEIZu-kun,eta1.Stainless—steelinducedbysurfacemechanicalattritiontreatmentI.structureandpropertyf-J ̄.ActaMetallurgicaSinica,2003,39(4):342—346.[12]张洪旺,刘刚,黑祖昆,等.表面机械研磨诱导AISI304不锈钢—表层纳米化II.晶粒细化机理EJ].金属学报,2003,39(4):347350.——ZHANGHongwang,LIUGang,HEIZukun,eta1.StainlesssteelinducedbysurfacamechanicalattritiontreatmentII.grainrefinementmechanismEJ3.ActaMetallurgicaSinica,2003,39—(4):34735O.[133张淑兰,陈怀宁,林泉洪,等.工业纯铁的表面纳米化及其机制f—,J3.有色金属,2003,55(4):58.———ZHANGShulan,CHENHuaining,LINQuanhung,eta1.“Surfacenanocrystalzationofindustrialpuretitaniumandits—mechanism[J].NonferrousMetals,2003,55(4):58.[14]冯淦,石连捷,吕坚,等.低碳钢超声喷丸表面纳米化的研究[J3.金属学报,2000,36(3):3OO一303.—FENGGan,SHILian-jie,LUJian。eta1.Investigationofsur—facenanocrystal1izati0nofalowcarbonsteelinducedbyultrasonicshotpeening[J3.ActaMetallurgicaSinica,2000,36(3):—300303.[15]吕爱强,刘刚,刘春明.机械研磨诱导316L不锈钢表层组织的—演变f-J3.金属学报,2004,40(9):943949.40材料工程2014年8期[163[17][183——LUAiqiang,LIUGang,LIUChunming.Microstructuralevo-lutionofthesurfacelayerof316Lstainlesssteelinducedbyme-chanicalattrition[J].ActaMetallurgicaSinica,2004,40(9):943~949.石继红,武保林,刘刚.316L不锈钢表面纳米化后腐蚀性能研—究EJ3.材料工程,2005,(10);4246.——SHIJihong,WUBaolin,LIUGang.Studyoncorrosionprop-ertyof316Lstainlesssteelwithnanocrysta1linesurface[J].—JournalofMaterialsEngineering,2005,(10):4246.赵新奇,熊天英,徐政,等.40Cr钢表面纳米化的研究[J].同—济大学学报,2004,32(2):218221.—ZHAOXin-qi,XIONGTian-ying,XUZheng,eta1.Nanoerystallizationofcementitepriortothatofferritein40Crsteelin—suHacenanocrysta11izati0nprocessing[J].JournalofTongjiUni—versity,2004,32(2):218221.张俊宝,刘志文,宋洪伟,等.高能机械加工表面纳米化40Cr—钢组织结构与力学性能[J].航空材料学报,2004,24(6):1115.———ZHANGJun-bao,LIUZhiwen,SONGHongwei,eta1.Mi—erostructureandmechanicalpropertiesof40Crsteelnano-crystallizedsurfaceafterenergypeening[J ̄.JournalofAeronauticalMaterials,2004,24(6):11~15.[19]高玉魁.表面完整性理论与应用[M3.2O14.GAOYu-kui.SurfaceIntegrityTheoryBering:ChemicalIndustryPress,2014[203北京:化学工业出版社,andItsApplications[M]高玉魁,赵振业.齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势I-J].金属热处理,2014,39(4):1~6.———GAoYukui。ZHAOZhenye.Developmenttrendofsurfacein——tegrityandantifatiguemanufactureofgears[J].HeatTreat—mentofMetals,2014,39(4):16.基金项目:国家自然科学基金资助项目(11372226);中央高校基本业务费专项资金和同济大学英才计划资助项目(1330219133,13302380043);国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心开放课题资助项目(NECSR一201306);国家重点基础研究发展计划资助项目(201OCB8331O5)——收稿日期:2013-1卜25;修订日期:20140326通讯作者:高玉魁(1973一),男,博士,研究员,博导,主要从事疲劳断裂和表面强化方面的研究工作,联系地址:上海市彰武路100号同济大学航空航天与力学学院(200092),E-mail:yukuigao@tongji.edu.cn
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