复合表面改性对M50NiL钢拉压疲劳寿命的影响

余加邦，梁益龙，邹江河，张凤泰，彭翔

(1. 贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳，550025；

2. 贵州省材料结构与强度重点实验室，贵州贵阳，550025；3. 高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室，贵州贵阳，550025)

金属材料的失效大多源于材料表面[1]，为提高材料使用寿命，人们开发了多种表面处理技术用于提升材料表面质量，并取得了显著成效[2]。然而，随着材料服役环境的恶化，人们对材料的服役寿命提出了更高要求。因此，通过新的改性方法获得更高的材料表面质量已成为延长材料服役寿命、保障机械装备运行安全的重要手段。

表面化学热处理和表面形变强化处理被广泛用于改善金属构件的疲劳性能。化学热处理可使合金元素渗入金属表层，改变金属材料的表面显微组织和残余应力分布，从而提高金属材料的疲劳抗力[2]。渗碳是最常见的化学热处理方式，已在合金钢中广泛应用。XIAO 等[3]研究发现真空渗碳试样表面产生高硬度硬化层和残余压应力层，有效提高了20Cr2Ni4钢的弯曲疲劳性能。PENG等[4]对AISI 316L 奥氏体不锈钢进行低温表面渗碳处理，发现渗碳层固溶强化和渗碳引起的残余压应力抑制了疲劳裂纹萌生，显著提高了材料的疲劳性能。表面形变强化处理是通过机械手段在表层产生塑性变形，进而诱导产生较高的残余压应力，并产生加工硬化现象。表面形变强化处理能改善表面质量，抑制疲劳裂纹在表面的形核和扩展，能极大地提高构件的疲劳寿命[5-6]。磨料水射流喷丸(abrasive water jet peening，AWJP)是一种可有效提升构件疲劳性能的表面强化工艺。邹雄等[7]研究了AWJP对渗碳GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响，发现试样经AWJP处理后，表面粗糙度有所增加，AWJP产生的高残余压应力和晶粒细化显著提高了渗碳钢的疲劳性能。AZHARI 等[8]利用AWJP对Ti-6Al-4V进行表面处理，发现AWJP产生的残余压应力抑制了裂纹在表面萌生，使试样疲劳极限提升25%。表面超声滚压技术(ultrasonic surface rolling process，USRP)是一项结合了传统滚压技术和超声波技术优点的新技术[9]，该技术仅需较低的载荷即可在试件表面形成较深的塑性变形层和高的残余压应力，从而提高试样疲劳寿命。ZHAO 等[10]对300M 钢进行USRP 处 理，发现试样表面缺陷减少，残余压应力和硬度增大，抗微动疲劳和腐蚀疲劳性能显著提升。LIU 等[11]研究了USRP 对Ti-6Al-4V 合金疲劳行为的影响，发现与未处理试样相比，USRP处理的试样疲劳极限提高22%以上。为满足构件性能要求，人们将2种或多种表面改性方法组合起来形成复合表面改性工艺。FU 等[12]研究了AWJP 和USRP 复合处理对AISI 4340 钢表面完整性和疲劳性能的影响，发现复合处理时可使试样在保持大塑性变形的同时获得良好的表面状态，试样疲劳极限由510.0 MPa提升到595.7 MPa。TSUJI 等[13]研究了等离子渗碳和深滚复合处理对Ti-6Al-4V 合金缺口疲劳性能的影响，发现等离子渗碳处理降低了试样的缺口疲劳寿命，但随后的深滚处理则显著提升了疲劳寿命，可见等离子渗碳与深滚复合处理有效改善了Ti-6Al-4V合金的缺口疲劳性能。

M50NiL钢是在M50钢的基础上演变而来的一种表面硬化钢，已广泛应用于飞机轴承、齿轮[14-15]。目前，对M50NiL钢的研究主要集中在表面化学热处理，包括气体渗碳[16]、真空渗碳[17]、等离子渗碳[18-19]、等离子渗氮[20]、等离子氮碳共渗[21-22]及渗碳后渗氮复合化学热处理[23-25]等，而对渗碳M50NiL 钢的表面形变强化研究较少[26]。因此，对渗碳M50NiL钢的表面形变强化进行研究具有重要意义。本文作者以M50NiL 钢为研究对象，首先对其进行渗碳处理，然后对M50NiL渗碳钢分别进行单一AWJP处理和AWJP+USRP复合表面改性处理，研究表面形貌、表面粗糙度、表层硬度和残余应力场对疲劳寿命的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与表面改性方法

实验材料为M50NiL钢，材料采用真空感应熔炼(VIM)+真空自耗重熔(VAR)工艺进行熔炼，材料纯净度较高，其化学成分如下：C，0.13%(质量分数，下同)；Cr，4.14%；Ni，3.37%；Mo，4.07%；V，1.24%；Mn，0.29%；Si，0.19%；P，0.005%；S，0.002%；Fe，余量。所有试样均从直径为45 mm的退火态圆棒上切割而来，然后将其车削加工成如图1所示疲劳试样。将疲劳试样进行砂纸研磨和酒精超声清洗，然后进行渗碳及热处理，具体工艺为：950 ℃，90 min 真空渗碳→690 ℃，180 min 真空退火→1 090 ℃，30 min 高纯度N2淬火→540 ℃，100 min 回火，重复3 次。最后，通过砂纸对试样沿轴向进行抛光。

将上述经渗碳及热处理的疲劳试样分为3 组。第1 组试样不作后续处理，处理工艺用CP 表示；第2 组试样经CP 处理后，再进行AWJP 处理，处理工艺用CP+AWJP 表示。AWJP 处理采用江苏旭升水射流科技公司生产的SQ1313型高压水射流喷丸设备，其基本原理如下：依靠磨料的自重和高速水流产生的负压，将磨料粒子“抽吸”进入混合室，并与携带巨大能量的高压水混合，然后高速喷射到金属表面，使材料表面产生塑性变形，其加工示意图如图2(a)所示。在试验过程中，试样固定在三爪卡盘上，同时以恒定速度ν1旋转；射流喷嘴垂直于试样且与试样最低点间隔距离d，以恒定的进给速度ν2沿试样轴向运动；磨料为粒径为0.2 mm 的圆形不锈钢丸，其在高压水流的携带下经喷嘴喷射至试样表面。加工次数为1 次，AWJP 具体工艺参数如表1 所示。第3 组试样先进行CP+AWJP 工艺处理，再进行USRP 复合表面改性处理，处理工艺用CP+AWJP+USRP 表示。USRP 处理使用山东华云机电有限公司生产的HK30C 型毫克能超声滚压加工设备，其产生的高频超声波电信号经过换能器、放大器处理后，通过超声滚压工具头传递至材料表面，可实现材料表面的高频机械振动。超声滚压工具头为可滚动的WC/Co 球，其直径为14 mm，洛氏硬度为80，粗糙度为0.1 μm。在USRP加工过程中，试样固定在三爪卡盘上并以恒定速度ν3旋转，同时，超声滚压工具头以恒定的进给速度ν4沿试样轴向运动。在此过程中，超声滚压工具头在恒定外加气压的作用下压入材料表面，并在超声波作用下对材料进行高频动载冲击，使材料表面产生塑性变形。USRP处理次数为2次，第2次加工方向与第1次的相同。USRP 加工示意图如图2(b)所示，具体工艺参数如表2所示。

表1 磨料水射流喷丸(AWJP)工艺参数Table 1 Parameters of abrasive water jet peening process

表2 表面超声滚压(USRP)工艺参数Table 2 Ultrasonic surface rolling processing parameters

1.2 表征方法和力学性能测试

在化学腐蚀剥层的基础上，利用GNR 型X 射线残余应力仪测量试样不同深度的残余应力，试验采用Cr-Kα辐射。采用HV-1000数显显微硬度仪测量改性层硬度分布，载荷为0.98 N，保压时间为15 s。利用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀样品横截面，然后利用ICX41M型金相显微镜观察试样显微组织。使用OLS5000 型激光共聚焦显微镜进行表面形貌和表面粗糙度测量和分析。利用加速电压为200 kV 的FEI Talos F200X 型透射电子显微镜(TEM)分析试样表面组织。在最大应力水平σmax=800 MPa条件下，利用频率为100 Hz的AQG-100疲劳试验机进行拉压疲劳性能测试，疲劳试验在常温下进行，应力比R=-1。采用SUPRA40-41-90扫描电镜(SEM)观察疲劳失效断口。

2 结果和讨论

2.1 表面显微组织

图3所示为不同表面改性工艺处理试样的横截面形貌。由图3(a)可见，CP 处理试样表面轮廓较为完整。由图3(b)可见，经过单一AWJP处理，试样表面出现许多由磨料撞击和冲蚀形成的凸起和凹坑，部分凸起和凹坑连接形成锯齿状缺陷，表面完整性变差。由图3(c)可见，经过AWJP+USRP复合表面改性处理，试样表面经AWJP处理形成的缺陷消失，试样表面轮廓变得较为平整。这是因为USRP处理是一个“削峰填谷”过程，表层金属变形流动使“峰”和“谷”消失，部分较深凹坑变形闭合形成折叠缝隙。

图4 所示为经CP 工艺、CP+AWJP 工艺及CP+AWJP+USRP 工艺处理的试样表面TEM 图像。从图4(a)可以看出，铁素体和碳化物的相界面清晰可见，界面处仅有少量位错。而经单一AWJP处理和经AWJP+USRP复合表面改性处理的试样，在碳化物界面及附近基体中出现大量位错，并形成位错缠结。表面形变强化处理使铁素体基体中的位错大量增加。王婷等[27]发现位错密度的增加会导致位错胞或位错缠结在原始晶界附近，产生亚晶界并形成新的晶界。当位错运动遇到障碍时，会在界面附近形成位错堆积。

2.2 表面形貌和粗糙度

材料表面应力状态对构件的疲劳性能有重要影响，现代抗疲劳制造要求材料表面无应力集中现象。图5所示为不同表面改性处理试样的表面形貌及三维形貌。由图5(a)和(d)可见，CP 工艺处理的试样表面有许多沿轴向分布的深浅不一的机械加工痕迹。由图5(b)和(e)可见，CP+AWJP 工艺处理的试样表面出现许多由磨料随机撞击和冲蚀形成的凸起和凹坑。由图5(c)和(f)可见，CP+AWJP+USRP工艺处理的试样表面只留下少许深度较浅的凹坑，绝大部分由AWJP处理形成的表面凸起和凹坑经USRP处理后消失，表面光洁度显著提高。

表3 所示为不同工艺处理试样的表面粗糙度。一般来说，表面粗糙度越大，试样缺口效应越大，应力集中程度越大，构件的疲劳性能越差[28-29]。通常情况下，试样经磨料水射流喷丸处理时，喷丸能量越高，试样表面冲蚀情况越严重，其表面粗糙度越高，疲劳性能越差。试样表面可以看作由许多微小的缺口组成，表面粗糙度对疲劳寿命的影响类似于表面缺口效应的影响，表面缺口对疲劳的影响可以用理论应力集中系数Kt表示[28]：

表3 不同工艺处理试样的表面粗糙度Table 3 Surface roughness of specimens treated by different processes

式中：h为缺口深度；ρ为缺口根部的曲率半径；γ为不平度间距与高度之比的相关系数。由式(1)可知，缺口深度h越深，曲率半径越小，应力集中越容易形成。应力集中系数对构件疲劳性能的影响也与材料的缺口敏感性有关，因此，引入有效应力集中系数Kf[30]：

式中：q为材料对应力集中的敏感系数，是与材料强度和微缺口尺寸形状相关的函数。随着材料强度增加，q增大。

由式(1)和式(2)可知，表面粗糙度越小，有效应力集中系数越小，疲劳裂纹萌生越困难，疲劳寿命越高。由表3可知，经AWJP工艺处理后，试样表面轮廓的算术平均偏差和轮廓的最大高度均大幅增加，增幅分别为577%和525%，试样表面Kt增加，应力集中敏感性增大。经AWJP+USRP复合表面改性处理后，试样表面缺陷减少，轮廓的算术平均偏差和轮廓的最大高度分别较AWJP处理时降低87.5%和82.0%，此前由AWJP 处理形成的高应力集中表面经USRP处理后应力集中程度大幅度降低。

2.3 硬度分布

表面硬度对材料的疲劳性能有显著影响。高硬度表面有利于改善材料的疲劳性能，抑制微裂纹在材料表面的萌生和扩展[31]。图6所示为不同改性工艺处理后试样的表层维氏硬度分布。从图6可知，随着距表面深度的增加，试样的维氏硬度呈逐渐下降的趋势。渗碳试样的渗碳层深度为1 200 μm，其表面维氏硬度为690；距表面110 μm处维氏硬度达到最大值，约705，随后逐渐下降。经单一AWJP和AWJP+USRP复合表面改性处理后试样表面维氏硬度分别提高到780 和840，提高幅度分别为13.0% 和21.7%。此外，经AWJP 和AWJP+USRP复合表面改性处理的试样分别在试样表层形成了深度约220 μm 和300 μm 的加工硬化层。塑性变形引起的位错增殖和晶粒细化导致试样硬度提高[6,10]。AWJP+USRP 复合改性工艺结合了AWJP与USRP工艺的优点，所得试样表面硬度最高，形变硬化层深度最大。

2.4 残余应力分布

高残余压应力不仅可以抑制疲劳裂纹的萌生，而且可以增加裂纹的闭合效应从而延缓裂纹的扩展[5,10-11]。在AWJP 和USRP 处理过程中，材料表层发生不均匀塑性变形，表层组织发生晶格畸变而产生残余压应力[6-8]。图7 所示为不同表面改性处理试样的残余应力分布(其中负值表示压应力)。所有试样的残余压应力深度相同，总残余压应力深度为1 200 μm，与渗碳层深度相同。所有试样的表面均为残余压应力，随着距表面距离的增加，残余应力呈下降趋势。渗碳试样的表面残余应力为-160 MPa，在距离表面160 μm 处达到最大值-245 MPa。经过AWJP处理后，试样表层产生了深度约400 μm的残余压应力层，残余应力呈“钩”形分布，表面残余应力为-870 MPa，在距表面深度10 μm 处，残余压应力出现最大值，为-957 MPa。试样经AWJP+USRP复合表面改性处理后，表面残余压应力最大，最大残余应力为-1 398 MPa，残余应力层深度约600 μm。与CP+AWJP 工艺相比，CP+AWJP+USRP 工艺处理后的试样残余压应力更高，残余压应力深度更大，这主要是由于后者使材料表层经历了更强烈的塑性变形，后续USRP处理的超声波能量大且传递效率较高。

2.5 疲劳寿命和断口分析

通过拉压疲劳试验，评估M50NiL钢在不同工艺处理前后的疲劳性能，每种试验参数的疲劳试样不少于5个，根据HB/Z 112—1986处理疲劳试验所得数据。表4 所示为在最大应力σmax=800 MPa，R=-1 条件下，不同表面处理工艺所得M50NiL 钢的疲劳寿命Nf，其中疲劳寿命增益I 为CP+AWJP工艺和CP+AWJP+USRP工艺处理所得试样相对于CP 工艺处理所得试样的中值疲劳寿命增长倍数；疲劳寿命增益II 为CP+AWJP+USRP 工艺处理所得试样相对于CP+AWJP工艺处理所得试样的中值疲劳寿命增长倍数。由表4可知：当σmax=800 MPa，R=-1 时，渗碳M50NiL 钢的疲劳寿命较低，经过单一AWJP处理后，其疲劳寿命提升22.4倍。而在AWJP 处理的基础上，再进行USRP 复合表面处理，试样的疲劳寿命进一步提高，相对于CP工艺下试样的疲劳寿命提升48.6倍，相对于单一AWJP工艺处理时的疲劳寿命增益也达到1倍以上。以上结果表明，复合表面改性处理可显著提高M50NiL钢的拉压疲劳寿命。

表4 M50NiL钢拉压疲劳寿命对比Table 4 Comparison of tension-compression fatigue life of M50NiL steel

图8 所示为CP 工艺、CP+AWJP 工艺和CP+AWJP+USRP 工艺处理所得试样的疲劳断口SEM形貌。由图8可见：所有试样的疲劳断口均显示出3个典型的区域即裂纹萌生区、稳定扩展区和瞬断区，3种处理工艺所得试样的疲劳断口都呈现出单一疲劳裂纹源的特征。CP 试样的疲劳裂纹出现在某些应力集中的表面(图8(a))。渗碳试样经过机加工和砂纸抛光后，表面出现许多深浅不一的加工缺陷和划痕(见图5(a)和(d))，这些表面缺陷为疲劳裂纹萌生的起点。渗碳试样疲劳失效机制为“表面缺陷诱导疲劳失效”。经过AWJP 处理和AWJP+USRP复合表面改性处理后，试样疲劳裂纹萌生位置转移至试样内部，疲劳裂纹源向内部转移的过程中通常伴随着疲劳寿命的显著增加[31]。由图8(b)和(c)可见：CP+AWJP 和CP+AWJP+USRP 工艺所得试样的疲劳裂纹源深度(裂纹源至最近表面的距离)分别为1 496 μm 和1 535 μm。对所有表面形变强化试样疲劳断口进行统计，发现疲劳裂纹源深度范围为1 300～2 050 μm，皆大于渗碳层深度，为试样的基体区域。CP+AWJP 工艺和CP+AWJP+USRP工艺处理所得试样的疲劳失效机制为“基体缺陷诱导疲劳失效”。

由图8 还可见：渗碳处理的M50NiL 钢的疲劳失效从试样表面开始。这是因为：1)渗碳处理后试样表面硬度较高，高硬度的渗碳层抑制了疲劳裂纹的形核过程[32]，裂纹只能在表面或基体中萌生；2)试样经机加工和砂纸抛光后，其表面留下许多加工缺陷，这些表面缺陷在硬度很高的渗碳试样表面极易形成应力集中，成为裂纹萌生位置[33-35]；3)试样表面较小的残余压应力不足以抑制试样表面裂纹的萌生和扩展。

渗碳试样经过单一AWJP处理后，表面发生塑性变形，表面残余压应力提高到-870 MPa，并产生了深度为400 μm 的残余压应力层，表层残余压应力抵消了疲劳加载中部分拉应力载荷，有效抑制了表面疲劳裂纹萌生和初始裂纹的扩展[12,36-37]。同时，AWJP处理使试样表层产生加工硬化，表层硬度提高，并与渗碳层形成过渡平缓的硬度层，这一梯度硬度分布有利于提高表层承载能力和抑制疲劳裂纹萌生[6,10,36]。AWJP 处理后试样疲劳寿命的提高是表面高残余压应力、表面加工硬化综合作用的结果。与单一AWJP 工艺相比，经AWJP+USRP复合表面改性处理后，试样表层的残余压应力和硬度更高，产生的残余压应力深度和表面硬化层深度更大，更有效降低了试样表面受到的有效循环拉应力，提升了试样的承载能力，有效抑制了表面裂纹的萌生和扩展。同时，试样硬度的提高也降低了试样表面的应力集中程度。通常，硬度与金属材料的屈服强度呈正比[38]，提高表面屈服强度可以提高金属材料的抗应力集中能力[39]。AWJP+USRP复合表面改性处理试样的表层硬度比AWJP处理试样的高，其表面应力集中程度比AWJP处理试样的低，更高的表层硬度减缓了应力集中区域的疲劳裂纹萌生。此外，AWJP处理后形成的凹坑被消除，表面缺陷减少，表面应力集中程度降低，使试样表面裂纹形核概率减小[10,28,40]。复合表面改性处理后疲劳寿命的提高是表面高残余压应力、表面加工硬化和表面低粗糙度综合作用的结果。AWJP+USRP复合表面改性处理试样表现出比单一AWJP 处理试样更好的疲劳性能。

尽管复合处理大幅度降低了试样表面粗糙度，但由于在AWJP处理时已在试样表面形成了深的凹坑和凸起，复合处理后试样表面仍存在部分折叠缝隙和凹坑等缺陷，这些缺陷在工件服役过程中容易产生应力集中，导致裂纹开裂，降低疲劳寿命。在实际应用中，应该优化AWJP 和USRP 工艺，特别是AWJP工艺，获得无缺陷或缺陷很少的表面，以提高材料的表面完整性，进而提高其服役寿命。

3 结论

1)单一AWJP 处理后试样表面粗糙度大幅增加，轮廓的算术平均偏差与轮廓的最大高度增幅分别为577%和525%；经AWJP+USRP复合表面改性处理后，试样获得了更为平整的表面形貌和更低的表面粗糙度，轮廓的算术平均偏差和轮廓的最大高度较AWJP处理时分别降低87.5%和82.0%。

2)与单一AWJP 处理相比，AWJP+USRP 复合表面改性处理使试样获得了更大的表面残余压应力和表面硬度，残余压应力层及加工硬化层深度更大。

3)在单一AWJP 处理的基础上，对渗碳M50NiL 钢进行AWJP+USRP 复合表面改性处理，能进一步提升其疲劳寿命。在最大应力水平σmax=800 MPa，R=-1 条件下，单一AWJP 处理使渗碳M50NiL 钢拉压疲劳寿命提高22.4 倍，AWJP+USRP 复合表面改性处理使其拉压疲劳寿命提高48.6倍。

4)残余压应力场和表面硬化是影响AWJP试样疲劳寿命提升的主要因素，而AWJP+USRP复合表面改性处理后试样疲劳寿命的提升则是残余压应力场、表面硬化及表面形貌改善综合作用的结果。