磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响.pdf

第2 卷第4 期2 0 0 3 年1 2 月常州信息职业技术学院学报J o u r n a lo fC h a n g z h o uV o c a t i o n a lC 0 1 l e g eo fI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g yV b L 2 N o 4D e c 2 0 0 3磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响李晓宏(黑龙江信息技术职业学院黑龙江哈尔滨1 5 0 0 8 6)摘要：通过对马氏体不锈钢(2 C r。)试片热处理强化处理后，分别进行了磨削后研磨加工、喷丸处理，以探讨表层硬度、表层残余应力及表面粗糙度等因素对疲劳强度的影响。实验表明，减少表面粗糙度R a 值，增加表层残余应力是提高2 C r，不锈钢使用寿命的有效方法。关键词：疲劳强度；研磨；表层残余压应力中图分类号：T G 黯文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-2 4 3 4(2 0 0 3)0 4-0 0 1 7-0 3E f f e ct sofG r i n d i n g，L a p p i n ga n dC l ou dB u r st i n gonM a r t e n s i t i cS t a i n l e ssS t e e l SF a t i g u eS t r e n g t hL IX i a o-h o n g(I-I L lV o c a t i o n a lI n s t i t u t eo fI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y，H a e r b i n1 5 0 0 8 6，C h i n a)h l h _ I t：G r i n d i n g a b r a s i v ep r o c e s s i n ga n dc l o u db u r s t i n gw e r ec o n d u c t e ds e p a r a t e l ya f t e ri n t e n s i f y i n gh e a tt r e a t m e n to fm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l(2 C r l s)p l a t e s T h ev a r i o u sf a c t o r s S u c ha ss u p e r f i c i a ll a y e r Sh a r d n e s s r e s i d u a ls t r e s so fs u p e r f i c i a ll a y e r a n ds u r f a c er o u g h n e s s t h a ta f f e c tt h ef a t i g u es t r e n g t hw e r es t u d i e d E x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a td e c r e a s i n gt h es u r f a c er o u g h n e s s(R a)a n dr a i s i n gt h er e s i d u a ls t r e s so fs u p e r f i c i a ll a y e ra r et h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rp r o l o n g i n gs e r v i c el i f eo fs t a i n l e s ss t e e l(2 C r l 3)脚w o R l b：f a t i g u es t r e n g t h；l a p p i n g；r e s i d u a ls t r e s so fs u p e r f i c i a ll a y e r在弱酸介质中使用搅拌物料的叶轮，因应具有较高的屈服强度，而常选用马氏体不锈耐酸钢(例如，1 C r 2 C r。，等)来制作，但由于其使用寿命较短，而更换叶轮又影响生产的连续性，故如何提高其疲劳强度，一直是石油化工、造纸、印刷、纺织印染等行业生产上急需解决的问题。本文仅就2 C r。，钢制造搅拌物料叶轮的情况，选取试验片，经适当热处理强化后，分组进行表面磨削；磨削后研磨、加工；喷丸处理，试图找出加工方法形成的表层残余应力、表层硬度和表面粗糙度R a 值等诸因素对2 C r。，不锈钢疲劳强度的影响，以便确定较合理的加工方法，达到提高叶轮使用寿命的目的。1 试验用材和试验方法1 1 试验用材试验选用厚度为3 m m 的热轧2 C r。，不锈钢板，试样沿热轧方向截取，其长边与热轧方向一致，试样尺寸和形状按疲劳极限试样标准规定(G B 3 0 7 5 8 2)制出，其化学成分见表1：收稿日期：2 0 0 3 1 0 2 3作者简介：李晓宏(1 9 6 3 一)，女，高级讲师，从事研究方向：机电一体化 万方数据1 8常州信息职业技术学院学报2 0 0 3 年1 2 月表12 0 r t 3 不锈钢化学成分CSi缸SPC ro 1 80 5 0O 7 50 0 20 0 1 61 2 1 4试样首先经热处理强化，工艺参数为：淬火温度1 0 0 0 士5；保温2 0 m i n；冷却介质用2 0#机油；回火温度为3 8 0 5，回火时间为2 h，空气中冷却。试样热处理后的机械性能如表2 所示：表22 0 r t，钢热处理后机械性能屈服强度(蕊2 M P a)抗拉强度(乱M P a)延伸率(占)硬度(腿C)1 1 0 01 2 试验内容及方法(1)表面加工方法试样分为两大组，分别采用表3 的方法进行加工，即正常磨削加工后，再经研磨加工或喷丸处理；剧烈磨削加工(使表面局部形成轻微的烧伤)后，再分别经研磨加工和喷丸处理。表3 试片热处理后加工方法加工方法试样编号最终加工方法(2)平面疲劳极限试验将试验片放在申克型疲劳试验机上进行反复交变载荷弯曲试验，并设定反复交变次数N=1 0 7 时，试片不发生断裂的应力值为疲劳强度极限值，测定结果如图1 所示。图1 加工方法对2 C r-，不锈钢疲劳强度的影响O-O C l；一D l；一C 2；口一口D 2；X-C 3；夺D 3(3)表面粗糙度和表层硬度的测定用B 凹一2型电动轮廓仪测出的表面粗糙度R a 值如表4 所示。用T M T-2 型显微硬度计测出的表层硬度肼(载荷1 0 0 9)女 1 图2 所示。表4 表面粗糙度对2 C r u 钢疲劳强度的影响试样编号表面粗糙度R a p m 疲劳强度o M P a 疲劳强度变化率图22 C r。，不锈钢表面硬度的分布O-O C l；h 一XD I；一C 2；口一口D 2；一C 3；牵-+D 32 试验结果与分析从图l 可见，表面上有部分轻微磨削烧伤的D l试片疲劳强度较低(4 7 0 M p a)，可见磨削烧伤(尽管很小)是十分有害的。从表4 可见，试片比没有磨削烧伤的试片c。的疲劳强度约低4 0。表面烧伤虽然尚未引起表面磨削裂纹，但由于此处表面粗糙度R a 值较大(4 8 W n)，表面凸凹不平像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，使疲劳强度下降。此外，该处表层硬度较低，约I t M I 伽9 3 5 0(图2)，表层内存在着残余拉伸应力，这也是使疲劳强度下降的原因。淬火钢的疲劳强度受到加工条件的影响，表层产生的残余应力的性质是一个主要因素。残余应力仅发生在表面极薄层内，变化(方向和大小)十分剧烈，而且，残余应力随疲劳试验时反复交变的应力的变化而变化，因此，与疲劳强度的定量关系尚难以准确测出。对正常磨削加工和有局部烧伤磨削加工的试片，再分别进行研磨加工和喷丸处理后，各试片的疲劳强度均有提高。例如，正常磨削后再进行研磨加工的试片G，疲劳强度提高了5 4，精磨后，喷丸处理5 分钟的C 3 的疲劳强度也提高了4 8 1，例如，在相同加工条件下，喷丸处理的C 3 和D 3 使用寿命均有明显的提高，即使有局部烧伤的研磨试片D 2，也提高了1 8 1，约为局部烧伤试片D，的两倍。这种现象产生的原因较为复杂，表面粗糙度R a 值的增大并不是决定的因素，喷丸处理后的试样使用寿命反ooiq宙髓隧咀群 万方数据第2 卷第4 期李晓宏：磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响1 9而提高；表层硬度她对使用寿命的影响也较小，显然精磨后喷丸处理的试样效果最好；此外疲劳强度的提高，加工硬化作用的影响更加小一些。更主要的原因在于表层残余应力的大小和方向发生了变化，即表层拉伸残余应力已转变为表层残余压缩应力，阻碍了疲劳裂纹的产生和扩展。磨削加工后，进行喷丸处理的正常磨削加工试片C 3 和局部烧伤加工试片D 3 的疲劳曲线基本一致。这是因为表面粗糙度R a、表层的加工硬化及残余应力的分布几乎相同，喷丸处理后，试片的疲劳强度得到了较大的提高，与正常磨削加工相比较，增加了近5 0，其主要原因是表层受到了很大的残余压缩应力及加工硬化达到了一定的深度。正常磨削C 3 和局部烧伤磨削D 3 的疲劳强度虽然几乎是一样的，但使用寿命却较短些，这与表层受到喷丸冲击所形成的较大压痕，表面变得较为粗糙(表面粗糙度I l a 值约为8-9 p t m)有密切的关系。此外，当喷丸处理试片发生破裂时，由于表层加工硬化效果，能观察到裂纹的开裂速度十分迅速的现象，并在瞬间破断时发出强烈的声音。磨削加工后再进行研磨加工及喷丸处理的方法，均能显著地提高疲劳强度。但是，前者与磨削加工条件(正常磨削和剧烈磨削)关系密切，而后者则与磨削加工条件关系不大。3 结束语磨削加工引起表面烧伤会使其疲劳强度明显下降，应避免使用这种操作方法。本试验条件下，无论正常磨削，还是局部烧伤磨削，在其表面磨削方向上为残余拉伸应力(正常磨削引起的拉伸残余应力很小，以至于当表面粗糙度R a值明显减小时会变为残余应力)，而此后再进行研磨加工、喷丸处理时，表层残余拉应力变为表层残余压应力，疲劳强度比正常磨削加工提高了近5 1 P A，喷丸处理加工方法的使用，应当根据工作零件的服役条件具体选择确定。万方数据磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响作者：李晓宏，LI Xiao-hong作者单位：黑龙江信息技术职业学院,黑龙江,哈尔滨,150086刊名：常州信息职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF CHANGZHOU COLLEGE OF INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：2003,2(4)本文读者也读过(1条)本文读者也读过(1条)1.唐静 扫描电镜分析技术在钢板成形研究中的应用会议论文-2007 本文链接：