專利名稱：提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強化的噴丸方法
技術領域：
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化的噴丸方法，具體地說，是一種優(yōu)化雙相材料表面強化的加載應力噴丸處理方法。
背景技術：
表面噴丸強化技術，是提高機械零部件疲勞壽命及應力腐蝕抗力等的關鍵制造工藝。噴丸強化因素包括兩個方面，即殘余應力強化和組織強化。組織強化可有效防止裂紋萌生，而殘余應力強化則具有防止裂紋擴展的作用。控制這兩個因素，可以改變零構件的表面性能，使材料疲勞壽命及應力腐蝕抗力等獲得明顯改善。經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，M. Kobayashi等人在《國際疲勞雜志(International Journal of Fatigue)》(1998 年，第 20 卷，351-357 頁)上發(fā)表的“噴丸殘余應力生成機制(Mechanism of creation of compressive residualstress by shot peening) ”論文,研究了噴丸強化殘余壓應力場的生成機制,發(fā)現(xiàn)最大殘余壓應力值出現(xiàn)在次表層，而表面殘余壓應力值反而較小。C. A. Rodopoulos等人在《國際疲勞雜志(International Journal of Fatigue)》(2004 年，第 26 卷，別9-856 頁)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，研究了噴丸強化對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屆國際噴丸會議發(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)上研究表明在相同的噴丸條件下，材料的硬度越高，其表面的殘余壓應力越大。在雙相材料中，兩物相的硬度常因結構不同，成分不同而使物相的硬度不同。當物相硬度相差較大時，常規(guī)噴丸后在表層兩物相的最大殘余壓應力值往往會相差較大，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度和較高的彈性回復力。而整體材料的屈服強度取決于兩相的屈服強度的大小。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?shù)陀捕任锵嗑哂休^高的彈性回復強度時，采用預加載應力噴丸加工，將能進一步提高低硬度物相殘余應力的最大值。因此，預加載荷噴丸有利于進一步提高低硬度物相的殘余應力，減小兩相材料表面殘余最大應力的差異，促進兩相殘余壓應力分布的均勻性，有利于提高整體材料表面的殘余壓應力，促進優(yōu)化雙相材料的表面性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術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化的噴丸方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強化的噴丸方法，其特征在于，該方法為在待處理材料兩端加載預應力，該預應力的強度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強度，然后在相同的拋丸強度下，利用氣壓式噴丸機進行噴丸處理。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。
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應力為350MPa。所述的氣壓式噴丸機的噴丸強度為O. 18mmA，噴丸時間為30秒，覆蓋率為100%。氣壓式噴丸機進行噴丸處理后的產(chǎn)品采用X射線衍射儀對不同的物相殘余應力進行測試，不同的物相均采用相應高角度的衍射角進行測試。本發(fā)明的目的在于針對硬度不同，相彈性回復強度不同的兩相材料在普通噴丸技術中的不足，提供一種既提高兩相表面強化又促進兩相表面殘余應力均勻分布的噴丸處理方法。在低硬度物相的屈服范圍內選擇外載荷預應力，進一步提高低硬度物相的最大殘余應力，促使提高材料的整體表面性能。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所提供的是進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力。在低硬度高彈性回復強度物相的屈服范圍內，對試樣加載拉應力進行噴丸處理，既鞏固了噴丸強化效果，又利于進一步提高低硬度物相的殘余應力，減小兩相材料表面最大殘余應力的差異。在350MPa的加載下,各物相表面殘余壓應力分別比沒有加載時提高了 17.08% (奧氏體)和30. 04% (鐵素體)，兩物相的殘余應力差異值由130MPa降低到了 59MPa。此外，預應力噴丸與傳統(tǒng)噴丸相比，僅需要增加預應力裝置，不需要更換噴丸設備和彈丸，設備及物資投資小，工藝操作簡單，對低硬度高彈性物相的殘余應力提高明顯。本發(fā)明的工作原理成熟，在普通噴丸機上即可實現(xiàn)，實施方案簡便易行。


圖I為實施例中預應力噴丸的拉伸加載模型；圖2為實施例雙相鋼S32205中奧氏體預應力噴丸和傳統(tǒng)噴丸殘余應力在材料表層沿層深的分布曲線；圖3為實施例雙相鋼S32205中鐵素體預應力噴丸和傳統(tǒng)噴丸殘余應力在材料表層沿層深的分布曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例
本實施例的實驗材料雙相鋼S32205，噴丸試樣尺寸50 X 10 X 5mm3，編號為I號。在上述待處理材料I號試樣兩端加載預應力，預應力也是通過拋丸機進行加載，然后在與預應力相同的拋丸強度下，利用氣壓式噴丸機進行噴丸處理。實施時，利用氣動式噴丸機進行復合噴丸處理。首先對I號試樣實施一次噴丸，噴丸條件為，氣壓0.5MPa，噴丸強度O. 18mmA。所用彈丸均為陶瓷彈丸(直徑O. 3毫米，硬度700HV)。 作為對比，選擇材料和試樣尺寸與I號試樣相同的樣品進行應力加載噴丸，編號為2號(噴丸氣壓為350MPa)，3號(噴丸氣壓為400MPa)，4號(噴丸氣壓為450MPa)，噴丸設備和噴丸條件與試樣I號噴丸完全相同。應力加載模型如圖I所示。殘余應力評價分別利用X射線應力儀，測量上述I 4號樣品的噴丸表層殘余應力分布、結果分別為圖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力沿層深的分布曲線。在相同的噴丸條件下，殘余壓應力的最大值和壓應力分布的層深隨著預應力的增大而增大，說明預載荷應力噴丸分別提高了兩物相的殘余壓應力。表I為加載不同預應力噴丸后，兩物相在表層的最大殘余應力。在沒有加載時噴丸后，奧氏體的殘余壓應力比鐵素體體多130MPa ;在加載350MPa時，奧氏體的殘余壓應力比鐵素體多59MPa ；在加載400MPa時，奧氏體的殘余壓應力比鐵素體多94MPa ;在加載450MPa時，奧氏體的殘余壓應力比鐵素體多179MPa。在加載350MPa時，奧氏體的殘余壓應力與鐵素體最接近，促進了材料表面的殘余應力分布的均勻性。這是由于噴丸卸載后，鐵素體的彈性回復強度更大而產(chǎn)生。表2表明，加載后的最大殘余應力(相對未加載)增長率隨著預應力的增大而增大,而且鐵素體殘余應力的增長率都高于奧氏體。在加載350MPa時，鐵素體的殘余壓應力比奧氏體的增長率最大，更有利于提高材料表面的殘余應力分布的均勻性。該材料的屈服強度為450MPa，又因為鐵素體的屈服強度低于奧氏體，可得知鐵素體的屈服強度一定低于450MPa。當負載接近或高于材料的屈服強度時，奧氏體的回復將明顯增加，這樣反而不利于兩相最大殘余應力值差異的減小。因此，提高低硬度物相的殘余應力應選擇在低硬度物相的屈服強度范圍內，而不是整體材料的屈服強度范圍內。表I加載不同預應力噴丸后，兩物相的量大殘余應力
OMpa3 SOMpa_400Mpa 450Mpa
奧氏體 84999410841189
鐵素體 719_93S9901010表2加載后的最大殘余應力(相對未加載)增長率
權利要求
1.一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強化的噴丸方法，其特征在于，該方法為在待處理材料兩端加載預應力，該預應力的強度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強度，然后在相同的拋丸強度下，利用氣壓式噴丸機進行噴丸處理。
2.根據(jù)權利要求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。
3.根據(jù)權利要求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應力為350MPa。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強化的噴丸方法，其特征在于，所述的氣壓式噴丸機的噴丸強度為O. 18mmA,噴丸時間為30秒,覆蓋率為100%。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種提高兩相材料中低硬度高彈性物相表面強化的噴丸方法，其特征在于，氣壓式噴丸機進行噴丸處理后的產(chǎn)品采用X射線衍射儀對不同的物相殘余應力進行測試，不同的物相均采用相應高角度的衍射角進行測試。
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化的噴丸方法，該方法為在待處理材料兩端加載預應力，該預應力的強度低于待處理材料中低硬度物相的屈服強度，然后在相同的拋丸強度下，利用氣壓式噴丸機進行噴丸處理。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明屬于一種優(yōu)化表面強化技術，僅需要增加預應力裝置，設備及物資投資小，工藝操作簡單，表面優(yōu)化效果明顯。本發(fā)明的工作原理成熟，對有利于提高硬度低但其彈性回復力高物相的殘余壓應力。從而優(yōu)化整個材料表面殘余壓應力分布的均勻性，實施方案簡便易行。
文檔編號B24C1/00GK102922431SQ20121046558
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者姜傳海, 馮強, 詹科 申請人:上海交通大學