零件材料表面完整性与断裂应力和残余压应力

一、 工程材料/零件经过各种冷、热加工处理后,材料基体获得了一定的显微组织结构(Microstructure -Ms),该MS决定了工程材料的常规力学性能,如抗拉强度(o)、屈服强度(0.2)、延伸率(2)、面缩(4)等。一般地讲,材料基体的Ms,决定了材料的常规力学性能。

此外,一些金属材料在单调或循环应力作用下,裂纹的起裂不在基体材料的内部,而是起裂于材料的外表面,经过一段亚临界裂纹扩展最后导致失稳断裂。如材料的疲劳断裂(Fatigue fracture -FF应力腐蚀开裂(Stress corrosion cracking-SCC)、氢致脆性断裂 (Haydrogen embrittlement fracture-HEF)等,均属这种类型的宏观脆性断裂。对这种类型的断裂,可统称为“表面起裂引发的断裂” (Fracture induced by surface cracking -FISC),工程材料的FISC性能,往往不是取决于基体材料的Ms,而是取决于材料的表面状态,即首先取决于材料的表面完整性(Surface integrity-SD) ,其次才取决于基体材料的MS。由此可见,试验研究这类FISC力学性能,改进和提高发生PISC材料/零件在各种服役场合下的使用性能,应首先研究S1对这类材料/零件FISC力学性能的影响。

二、工程材料/零件的表面完整性

这里所研究的SI是对工程材料的FISC性能有直接影响的显微组织参量、物理化学参量以及表面轮廓形貌等三方面的参量。而影响这些参量变化的是材料/零件在制造过程中所经受的各种冷热加工

上面已经讲述了材料基体力学性能与其MS间的关系,对于由原材料加工制成的机械零件而言,其FISC性能首先取决于材料/零件的SI.这里同样可以认为,一定的加工工艺决定了零件具有一定的SI,而一定的SI又决定了零件的FISC性能。根据以上的论述,可以对控制材料/零件表面起裂引发失稳断裂的表面完整性做出以下狭义的定义：凡能改变表面起裂引发失稳断裂的工程材料/零件的表面(层)显微组织结构参量、力学性能参量、残余应力参量以及表面应力集中等参量之总和,称作表面完整性。至今为止,国内外公开发表的大量的试验研究结果均已表明,无论工程材料/零件的基体强度之高低,凡发生FISC破坏者,其表面完整性总是起着决定性的作用。

三、表征表面完整性的物理量

采用各种物理量来表征和度量SI中的各种参量。图1示出的方块图诠释了表征各参量的各种物理量。通过试验测定加工处理前后材料/零件的各种物理量,由此获得加工处理前后两种状态的表面完整性参量。根据各种SI参量对材料/零件FISC性能影响的一般规律性,再根据加工处理前后两种S1参量变化的对比分析,便可评定新的SI参量将对材料/零件FISC性能影响的趋势1-。然后,再根据这些影响趋势,通过调整加工处理工艺规范来调整表征SI诸参量,最终可获得优化的SI,由此使材料/零件达到具备优良FISC性能的目的。

四、喷丸强化工艺技术在改善零件表面完整性中的作用

近百年来在工程上用以改变零件SI的表面强化工艺已有十余种,至今为止,在工程上应用最广覆盖面最大的莫过于表面喷丸形变强化工(Shotpeeningstrengthening technology-SP), SP已在航空、航天、汽车、机车、石油、矿山、兵器、机械基础件(弹簧、齿轮、链条等)等的制造业中获得了最广泛的应用。由喷丸机床、喷丸介质和喷丸强化工艺技术三大要素构成的表面喷丸形变强化工程,已经发展成为国民经济中具有庞大规模的新型行业部门,承担起为我国机器制造业提供各种表面强化机床(2-6轴联动的数控喷丸机床)、强化用介质(各种类别、尺寸、硬度的弹丸)、强化处理工艺规范、标准以及强化处理工艺技术等。喷丸过程就是靶材表面发生循环塑性变形的过程,也是改变靶材表面完整性的过程。因此,喷丸强化就是通过改变靶材表面完整性来达到提高疲劳、应力腐蚀与氢脆这类宏观脆性断裂的断裂抗力(Fracture re sistance)的目的。