高强双相钢喷丸强化及其XRD表征

发布时间：2018-03-01 18:29

本文关键词： 高强双相钢喷丸强化残余应力有限元模拟 XRD 组织结构　出处：《上海交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：高强双相钢具有马氏体和奥氏体两相结构,具有高的硬度和强度,在高速重载等领域得到广泛的应用。喷丸技术是金属材料表面强化的有效方法,能改善金属材料表层的应力分布和组织结构,提高其使用性能。本文研究了不同参数喷丸条件下高强双相钢不同相的残余应力场、相变及组织结构变化,并通过有限元模拟分析了不同相及其界面处残余应力的分布;还研究了在高温和外载荷加载条件下的残余应力松弛行为以及组织结构的变化规律;最后结合喷丸后高强双相钢的力学性能,对喷丸的强化机理进行了分析。采用复合喷丸技术对高强双相钢进行了表面强化处理,结果表明,喷丸后高强双相钢发生了马氏体相变,喷丸后表面残余奥氏体的含量几乎为0,随层深的增加奥氏体转变量递减;喷丸后马氏体和奥氏体相都具有明显的残余压应力,两相残余压应力都随层深的增加先增大后减小;在相同层深下,残余压应力随喷丸强度(次数)的增加而增大,研究范围内三次喷丸产生的残余压应力最大,影响深度也最高,三次喷丸后18Cr Ni Mo7-6钢马氏体残余压应力在20μm处达到最大值-1463 MPa,表层残余应力为-1256 MPa;奥氏体残余压应力在20μm处达到最大值-1039 MPa,表面残余压应力为-766 MPa,三次喷丸对两相残余应力的影响深度都超过300μm。同时,多次复合喷丸后表面残余应力的分布更加均匀。单个弹丸撞击模型有限元分析显示,单个弹丸撞击后马氏体和奥氏体都具有残余压应力,马氏体的残余压应力大于奥氏体的残余压应力,且在两相界面处出现应力集中;8层弹丸撞击模型分析结果显示,喷丸后马氏体和奥氏体及其界面在近表面都具有明显的残余压应力,且残余压应力随着层深增加是先增大后减小,残余应力模拟值的大小及分布规律与实验值基本吻合。研究了喷丸残余压应力在高温条件下的松弛行为,结果表明,残余压应力在加热起始阶段松弛最为显著,最终趋于稳定,加热温度越高以及保温时间越长残余压应力降低也愈大。应力松弛过程可由Zener-Wert-Avrami函数表示,基于该函数,通过对不同温度下残余应力随时间变化曲线的回归分析可得到18Cr Ni Mo7-6钢和GCr15钢残余压应力松弛激活能分别为108 k J/mol和115 k J/mol。对高强双相钢喷丸后残余应力在外载荷作用下的松弛行为进行了研究,结果表明,外加静载荷作用时,载荷越大,压应力松弛速率越明显;在500 MPa、600 MPa和700 MPa外加循环载荷作用下,喷丸后18Cr Ni Mo7-6钢分别经过10、5和3次循环时表面残余应力发生剧烈松弛,之后残余应力值渐趋稳定,表面喷丸残余压应力在以上循环载荷下分别松弛了26.3%、52.3%和71.2%。研究了喷丸对高强双相钢马氏体和奥氏体衍射峰半高宽(FWHM)的影响,结果表明,马氏体的FWHM随层深增加先减小后增大,奥氏体的FWHM随层深增加递减。采用单峰、多峰和全谱拟合等X射线衍射(XRD)线形分析方法表征了喷丸层马氏体和奥氏体组织结构的演变规律,结果表明,喷丸后高强双相钢马氏体和奥氏体的晶块尺寸随层深的增加都依次增加,喷丸层为纳米级晶块层;喷丸后马氏体微观畸变随层深增加是先减小后增大,发生了循环软化和循环再硬化两个过程,而奥氏体微观畸变随层深增加依次减小,发生了循环硬化过程;随喷丸强度(次数)的增加,喷丸层组织结构变化程度愈大,晶块尺寸的分布更加均匀。在退火过程中,随着温度和保温时间的增加喷丸高强双相钢表层马氏体显微畸变依次降低,晶块尺寸依次增大。三次喷丸后18Cr Ni Mo7-6钢马氏体的晶界迁移激活能和微观畸变松弛激活能分别为153 KJ/mol和131 KJ/mol,GCr15钢马氏体晶界迁移能和微观畸变松弛激活能分别为166 KJ/mol和136 KJ/mol。喷丸后高强双相钢硬度在表面达到最大值,三次喷丸后18Cr Ni Mo7-6钢表面硬度达到最大值937 HV,比基体材料硬度值增大56%,随着层深的增加硬度先减小后增大,出现了循环软化和循环软化再硬化的过程;经对硬度和FWHM及应力的变化规律分析得到它们之间的关系式,证实了除组织结构强化外,喷丸残余应力对硬度的贡献不容忽视。经硬度分布云图分析可知,随喷丸次数的增加,表面硬度值的分布更加均匀。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG668

【参考文献】