弹簧钢如何淬火不变形(喷丸强化表面的疲劳过程)

Posted 2023-05-25

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弹簧钢如何淬火不变形(喷丸强化表面的疲劳过程)

文／鞠辉，李良晨，纪同圣，张继魁 · 中国重汽集团工艺研究院

在载货汽车中，钢板弹簧把车架与车桥用悬挂的形式连接在一起，承受车轮对车架的载荷冲击，消减车身的剧烈振动，保持车辆行驶的平顺性和对不同路况的适应性。50CrVA作为钢板弹簧的最常用材料，有良好的力学性能和工艺性能，淬透性较高，钒的加入使钢的晶粒细化，降低过热敏感性，提高了强度和韧性，具有较好的抗疲劳强度，屈强比也较高。

喷丸强化是利用高速弹丸流对金属材料表面进行冲击，使其表面及近表面发生塑性变形，出现应变硬化、组织结构和残余应力的变化，可以改善零件的表面完整性，提高零件在室温下和疲劳断裂抗力和应力腐蚀开裂抗力。

本文研究了高强度弹簧钢50CrVA无缺口板状试样经淬火回火后达到1200～1800MPa的抗拉强度时表面处理后的残余应力，以及各种表面状态下的疲劳行为。

材料和热处理

50CrVA主要成分见表1。用长400mm的试样先在860℃淬火，然后分别在390℃、500℃、615℃进行回火，获得了抗拉强度为1200MPa、1500MPa、1800MPa的试样。试样按表2进行表面处理。

表1 50CrVA主要成分(%)

表2 表面状态和材料状态

试验结果

试样的加载采用四点弯曲法，最小应力为常数200MPa，最大应力可变。残余应力的测试采用X射线法，晶格变形可按照Sin2ψ 法计算。为了测量残余应力分布，使用电解抛光对试样的表面进行连续剥层。

疲劳试验前的表面状态见表3，抗拉强度1500MPa的试样表面粗糙度，在未喷丸时大约为31μm，而经喷丸处理后升高至63μm，强度为1200MPa的试样情况与此类似。但1800MPa的高强度水平的试样喷丸后表面粗糙度却显著的降低至37μm。

表3 疲劳试验前的表面状态

试样表面上的残余压应力随着抗拉强度的增加而增加，并且残余压应力的最大值和它在表面层下的深度也与此类似。预应力喷丸使试样表面产生了最大的残余压应力，同时预应力喷丸不但使残余应力的最大值增加，而且使最大值距表面的深度增加。

疲劳试验中观测的现象表明：

⑴喷丸前的预应变减少了塑性应变速率；降低试验温度，则塑性应变降低；

⑵裂纹源通常在非金属夹杂物附近，这是由于夹杂物局部区域造成了很高的应力集中；

⑶喷丸处理可推迟裂纹的萌生，而预应力喷丸对裂纹的萌生有更大的推迟作用，降低试验温度具有同样效果。

裂纹萌生期依赖于抗拉强度，抗拉强度增加可使裂纹萌生时间增加，这种关系也适合于低温的情况，但裂纹产生后，并不稳定扩展。这是由于随着表面层残余应力的增加，裂纹的扩展可被推迟到Ng(该点定义为裂纹稳定扩展至断裂时的寿命)。随着压应力的增加，裂纹迟缓(Ng-Ni)增加，循环到断裂的周次Nf也增加。Ni为裂纹萌生时的循环周次，Nf为循环至断裂的周次。

同一表面处理状态下，增加抗拉强度，疲劳寿命增加。同一抗拉强度下，预应力状态的疲劳寿命增加。

疲劳寿命受临界裂纹长度ac的限制，而临界裂纹长度依赖于抗拉强度和温度。降低温度和增加抗拉强度都使临界裂纹长度减少，当然，临界裂纹长度也受加载水平影响。

对不同抗拉强度、试验温度和表面处理试样疲劳后，试样力学性能的变化(由疲劳加载所引起)如表4所示。

表4 疲劳加载下试样力学性能的变化

结果讨论

⑴喷丸使表面产生塑性变形，变形层深度大小取决于丸粒的能量、材料的应力状态和材料的强度。

1)随着抗拉强度的增加，表面粗糙度降低，这表示喷丸的透入深度降低。

2)残余应力的分布还取决于抗拉强度，因为随着抗拉强度的增加，表面残余压应力增加，但喷丸深度减小。

3)预应变应力喷丸产生的最大残余压应力是由于试样表面的弹性预应变减小了克服屈服强度所必须的应力，使更多的动能转变成塑性变形。

⑵一般而言，疲劳寿命可由裂纹萌生期，裂纹扩展期和最后断裂期来确定。裂纹萌生期是受表面残余应力，表面粗糙度，材料强度和环境温度影响的。

裂纹通常是在表面层内的高应力集中区如非金属夹杂物和表面缺陷处出现的，这些材料缺陷对弯曲载荷是很敏感的。这在抛光的试样中也同样可以发现，由于表面抛光，抗拉强度升高，表面局部区域的应力集中减小，因而抑制了早期裂纹的形成。预应变使弹性屈服强度提高，因而推迟了裂纹的萌生。

表面残余应力的作用如一个平均应力一样，从而降低了有效应力，这种作用如降低加载水平一样。这个作用的一个标志是表面应变随着表面残余应力的增加，表面应变减小。

增加抗拉强度，扩大了弹性区，因此减小了表面受力的影响。降低温度的作用与此相同，由于它增加了材料强度。裂纹的扩展依赖于残余应力分布、材料的强度和试验温度。喷丸处理后，最大残余压应力是在表面层下出现的，这意味着随着距表面深度的增加载荷降低。当裂纹扩展到该区域时，由于残余应力和实际施加应力的合应力产生的裂纹尖端的应力强度因子小于裂纹稳态扩展的门槛值，因而停止扩展。增加残余应力的范围，和同时增加最大应力存在的深度，可更有效地推迟裂纹形成。

但是，我们不能假设残余应力始终为一个常数，因为残余应力分布在疲劳加载过程下是减少的，并且其减少的程度取决于加载水平、温度和抗拉强度。这个过程会影响裂纹尖端的应力强度因子使其越过门槛值，这样原来停止扩展的裂纹可能会重新扩展。

裂纹扩展速率可通过抗拉强度和试验温度来确定，随着抗拉强度的增加或者温度的降低可加速裂纹的扩展，即减少裂纹的扩展期。

当裂纹扩展到给定材料的临界裂纹长度时,则开始断裂,这个临界点可用断裂韧性来表示。断裂韧性取决于抗拉强度和试验温度。对抗拉强度为1200MPa和1500MPa的试样，裂纹的失稳扩展是在裂纹经过长期的扩展达到大约10mm时才开始。而对抗拉强度1800MPa的试样，临界裂纹长度小于等于1mm。降低温度与提高抗拉强度的作用相同。

结论

⑴增加残余压应力，可推迟裂纹的萌生期。

⑵残余应力的分布，随着表面下深度的增加，残余应力增加，因而，裂纹的扩展在低应力区可能被推迟或停止，这种作用取决于残余压应力的大小和它在表面层下的延伸范围。由于残余应力是不稳定的，并且随着疲劳加载而减小，这将使裂纹尖端的应力随时间的增加而增加，即裂纹尖端的应力强度因子增加，因此，停止扩展的裂纹将有可能会再扩展。

⑶断裂期同样依赖于抗拉强度和温度，提高抗拉强度和降低温度可推迟裂纹的萌生期，但增加裂纹扩展速率和减小临界裂纹长度。

作者简介

鞠辉

锻造工艺工程师，主要从事锻造及相关工艺研究工作，参与了某曲轴及某连杆材料及锻造国产化、锻造模具寿命提升研究等工作，拥有1项专利，发表多篇核心期刊论文。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第5期