40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观结构

刘天琦，　李春志，　盛　伟，　王　强

(北京航空材料研究院，北京 100095)



40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观结构

刘天琦，李春志，盛伟，王强

(北京航空材料研究院，北京 100095)

喷丸强化在金属材料表面形成强化层，可以有效提高构件的疲劳寿命，是金属构件表面完整性制造的重要方法。喷丸强化已有效应用于40CrNi2Si2MoVA钢制构件，为了探明喷丸强化对该钢种的强化机理，本工作采用高分辨电子显微电镜(HREM)对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观组织结构进行了系统分析研究。结果表明：喷丸强化使40CrNi2Si2MoVA钢组织细化，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象，“有效晶粒”尺寸为几个纳米到几十个纳米；“有效晶粒”界面呈明显的倾转现象，相邻“有效晶粒”间转动角度为几度到几十度，最大达到30°。

40CrNi2Si2MoVA钢；喷丸强化；微观结构

40CrNi2Si2MoVA钢为低合金超高强度结构钢，由于其具有高强度、良好的韧性和抗疲劳性能而在航空领域得到广泛应用，当前国内外90%以上的军、民用飞机起落架采用该材料制造。与其他高强度材料相同，40CrNi2Si2MoVA钢有一固有缺点，就是疲劳强度对应力集中敏感，而形状、加工等因素会使得构件不可避免地存在应力集中部位。为了抑制这一缺点，充分发挥材料的优良性能，必须采取一定措施来降低构件应力集中敏感，从而保证构件的表面完整性。

构件的表面完整性决定了高强度构件的疲劳行为。美国空军材料实验室(AFLM)在其《机械加工构件表面完整性制造指南》中指出，表面完整性是指控制加工工艺方法造成的无损伤或强化的表面状态。因此表面强化是构件表面完整性制造的重要方法，而喷丸强化是现代工程中最常用的表面强化技术[1-2]。喷丸强化在材料表面形成一个变质层，变质层内微观组织结构等发生了重大变化，从而显著提高了材料抗疲劳性能[3-5]。

一直以来，针对超高强度钢喷丸强化层微观结构的研究工作很少。随着电子显微技术的发展，近年来采用透射电子显微镜(TEM)对高强材料表面变质层微观结构的研究工作取得了较好的效果[6-7]。本研究采用高分辨电子显微术对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸强化层微观结构进行分析研究，从微观组织方面揭示喷丸强化对提高材料抗疲劳性能、改善表面完整性的机理。

1　实验材料及方法

40CrNi2Si2MoVA钢采用真空感应加真空自耗(VIM+VAR)双真空熔炼，经过1160 ℃加热锻造开坯成材，主要化学成分(质量分数/%)为：C 0.40，Mn 0.70，Si 1.65，S 0.001，P 0.006, Cr 0.88，Ni 1.95，Mo 0.40，V 0.10，Fe余量。热处理为870 ℃保温1 h，油冷；300 ℃保温2 h，空冷，两次。在喷丸机上对试样进行处理，所用钢丸为S110，覆盖率150%，强度为0.3 A。

采用JEOL2010型TEM和HREM观察喷丸强化层微观组织的结构特征。

2　结果及分析

经870 ℃油淬，300 ℃两次回火处理后，40CrNi2Si2MoVA钢的组织为板条马氏体、下贝氏体、残余奥氏体及弥散分布的ε-碳化物。图1所示为40CrNi2Si2MoVA钢组织照片。图1(a)为光学组织照片，晶粒大小为10～50 μm；图1(b)为TEM暗场像，显示的是一个晶粒内板条马氏体的排列情况；图1(c)是衍射谱，标定为马氏体、奥氏体及ε-碳化物[8]。

图1　40CrNi2Si2MoVA钢组织照片　(a)光学组织;(b)TEM暗场像;(c)衍射图Fig.1　Microstructure of 40CrNi2Si2MoVA steel　(a) optical microstructure; (b) dark field morphology of TEM 0)A; (c) diffraction pattern of selected area

实际上，图2(b)衍射图与模拟图2(d)更为贴切；这是由于某些等效晶粒的取向不是严格的[111]方向，对[111]有至少3°～5°的偏离，这个偏离是由于在外力作用下，等效晶粒的倾转不仅绕[111]轴，还同时会绕垂直于[111]的轴倾转。这里1，2和4较靠近[111]，而3，5，6和7都有不同程度的偏离。

图2　40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品组织的TEM照片(直径160 nm范围内)(a)TEM明场像；(b)该区域的衍射图；(c)，(d)衍射图模拟图Fig.2　TEM images of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(within 160 nm)(a)bright field morphology；(b)diffraction pattern of selected area；(c)，(d)analog of the diffraction pattern

图2有效地证明了喷丸使晶粒细化。在近[111]入射方向有七种等效晶粒的衍射斑，应指出七种不是七个(因为每种里有不止一个等效晶粒，相同取向等效晶粒可分布在不同处，它们同时对同一衍射斑的强度做出贡献)，等效晶粒数应比七多一些。还应指出，这里仅分析了第一圈环，{110}面族环，这个环几乎全由近[111]取向的等效晶粒的{110}衍射斑点构成，实际上直径160 nm范围内还可有少量高指数取向的等效晶粒，它们的衍射斑不在这个环上。由此可推知等效晶粒的直径应为几纳米到几十纳米。

图3是喷丸样品直径600 nm范围的TEM图像，图3(a)为TEM明场像，图3(b)为该区域的衍射图，衍射图呈现为多晶环图。c，d，e，f，g和h图分别对应于b图上的{110}面族环上的1，2，3，4，5和6处反射的暗场像。图3在更大的喷丸区域内，更为直观地展示了等效晶粒的分布和大小。等效晶粒的直径应为几纳米到几十纳米。

图3　40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品组织的TEM照片(直径600 nm范围)　(a)TEM明场像；(b)该区域的衍射图；(c)～(h)分别对应于衍射图上1～6反射的暗场像Fig.3　TEM images of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(within 600 nm)(a)bright field morphology;(b)selected area diffraction pattern;(c)-(h)dark field morphologies corresponding to 1-6 in Fig.3(b)

为了进一步揭示40CrNi2Si2MoVA钢喷丸后材料表层微观组织结构，利用高分辨电子显微术(HREM)对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品进行了观察分析。

图5和图6显示的相叠的两部分晶体是喷丸强化形成的，一个单晶体(晶粒)在外力的作用下，产生晶格畸变，一部分相对另一部分倾转造成了晶粒的细化。

图4　未喷丸样品 [111]方向的HREM像及HREM过滤像Fig.4　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel without shot peening(B=[111])

图5　喷丸样品 [111]方向的HREM像及HREM过滤像Fig.5　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(B=[111])

图6　喷丸样品另一个区域 [110]方向的HREM像　　　及HREM过滤像Fig.6　HREM image and filtrated image of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening(B=[110])

由上述对40CrNi2Si2MoVA钢喷丸样品的TEM和HREM的观察与分析，可见：喷丸使晶粒细化，生成许多由几纳米到几十纳米的等效晶粒，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象；“有效晶粒”间的角度由几度到几十度(由TEM衍射图测得4°，9°，17°，20°，23°和30°，HREM测得16°和23°)。

喷丸强化使40CrNi2Si2MoVA钢表层组织晶粒、亚晶粒产生塑性变形，导致晶格畸变，出现了马氏体“有效晶粒”现象，从而使晶粒细化。研究表明[9]，晶粒细化可以提高钢的抗疲劳性能。

塑性变形在力方面的体现为残余应力，而在形状方面的体现为晶格畸变，残余应力的本质就是晶格畸变[10]，因此，强化层内残余压应力与微观结构的变化是伴生的。

3　结论

(1)喷丸使40CrNi2Si2MoVA钢表层组织细化，呈明显的马氏体“有效晶粒”现象；“有效晶粒”尺寸为几纳米到几十纳米。

(2)喷丸使40CrNi2Si2MoVA钢表层晶粒间发生倾转，转动角度为几度到几十度。

[1] 赵振业．高强度合金抗疲劳应用技术研究与发展[J]．中国工程科学，2005，7(3)：90-94．

(ZHAO Z Y. Investigation and development status of the application technology to improve fatigue behavior of high strength alloys[J]．Engineering Science，2005，7(3)：90-94．)

[2] 高玉魁，陆峰，殷源发，等．喷丸强化技术及工程应用[J]．材料工程，2002(增刊)：314-316．

(GAO Y K，LU F，YIN Y F，etal．Shot peening and its applications in engineering[J]．Journal of Materials Engineering，2002(Suppl)：314-316．)

[3] MIAO H Y，DEMERS D，LAROSE S，etal．Experimental study of shot peening and stress peen forming[J]．Journal of Materials Processing Technology，2010，210(15)：2089-2102．

[4] GAO Y K，WU X R．Experiment investigation and fatigue life prediction for 7475-T7351 aluminum alloy with and without shot peening-induced residual stresses[J]．Acta Materialia，2011，59：3737-3747．

[5] 卢国鑫，陆峰．高强度喷丸对300M钢抗疲劳性能的影响[J]．机械工程材料，2015，39(1)：20-23．

(LU G X，LU F．Effect of high intensity shot peening on fatigue resistance of 300M steel[J]．Materials of Mechanical Engineering，2015，39(1)：20-23．)

[6] 罗庆洪，李春志，娄艳芝，等．磨削工艺对渗碳M50NiL钢表面变质层微观结构和性能及疲劳性能的影响[J]． 金属学报，2012，48(2)：194-198．

(LUO Q H，LI C Z，LOU Y Z，etal．Grinding process effect on surface moificative layer microstructure，property and fatigue behavior of carburized M50NiL steel[J]． Acta Metallurgica Sinica，2012，48(2)：194-198．)

[7] 李茂林．高能喷丸铝合金表层晶粒细化机制研究[J]．中国表面工程，2007，20(3)：18-21．

(LI M L．Investigation on grain refinement mechanism for high energy shot peening aluminium alloy[J]. China Surface Engineering，2007，20(3)：18-21．)

[8] 钟炳文，赵振业．超高强度钢的精细组织与强韧化[J]．材料工程，1992，12(1)：29-36．

(ZHONG B W，ZHAO Z Y． Fine microstructure of ultra-high steel and strengthening and toughening[J]．Journal of Materials Engineering，1992，12(1)：29-36．)

[9] 张永健，惠卫军，项金钟，等．晶粒尺寸对42CrMoVNb钢超高周疲劳性能的影响[J]．金属学报，2009，45(7)：880-886．

(ZHANG Y J，HUI W J，XIANG J Z，etal．Effect of grain size on ultra-high-cycle fatigue properties of 42CrMoVNb steel[J]．Acta Metallurgica Sinica，2009，45(7)：880-886．)

[10]陈森灿．金属塑性加工原理[M]．北京：清华大学出版社，1991．

(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

(责任编辑：徐永祥)

Microstructure of Surface Layer of 40CrNi2Si2MoVA Steel after Shot-peening

LIU Tianqi, LI Chunzhi，SHENG Wei,WANG Qiang

A strengthen layer can be formed on the surface of metal materials via shot peening strengthening, and the fatigue life of component could be prolong substantially. Shot peening is an important method to construct the surface integrity of metal component. In order to investigate the strengthening mechanism of 40CrNi2Si2MoVA steel, the microstructure of 40CrNi2Si2MoVA steel with shot peening has been studied using high-resolution electron microscope (HREM). The experimental results show that the microstructure of surface layer of 40CrNi2Si2MoVA steel is refined after shot peening, and the martensite “effective grain” phenomenon can be observed clearly．The sizes of the “effective grain” are from several to tens of nanometers, and the interface between “effective grains” shows twisting phenomenon apparently. The twisting angles between “effective grains” are from several to tens of degrees, and the largest angle reaches 30°.

40CrNi2Si2MoVA steel；shot peening；microstructure

2015-08-28；

2015-09-09

刘天琦(1971—)，女，硕士，高级工程师，主要从事超高强度钢的研究，(E-mail)liutq 525@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.2.005

TG142.41

A

1005-5053(2016)02-0028-05