1、PDF外文：http:/ 7500 字 基于温激光喷丸中动态应变时效和动态析出的 AISI4140 钢疲劳行为的改进 Chang Yea ,Sergey Suslovb ,Bong Joong Kimb ,Eric A.Stachb ,Gary J.Cheng ,*a 摘要 ： 温 激光冲击强化处理技术是一种 热机械处理，结合激光冲击强 化 和动态应变时效强化 优点的 技术 。 通过 动态时效 ， 碳原子滑移位错的钉接 ， 温激光喷丸提高了钢的位错密度和 位错排布 结构 的稳定性 。 此外 , WLSP通过应变 诱导析出，产生纳米 级碳化物析出
2、 。 这种析出物 由于 位错钉接而 有稳定 的 微观结构 ， 这使钢具有 更高的 位错结构 稳定性 ,提高了结构 残余 压应力 的稳定性 。通过本研究 , 对AISI 4140钢 进行 WLSP实验研究 ， 在研究中对 疲劳性能 机 理 改进， 发现 形成 的微 结构经过 WLSP之后 具有 更 高的错位结构 稳定性 和残余应力 稳定性 ， 提高 疲劳性能 十分有益 。 关键字 ： 激光温喷丸； AISI4140钢；动态应 变时效；动态析出；碳化物 1. 引言 作为一种 先进 的表面处理技术 ， 激光喷丸 技术 (LSP)已成功用于改善金属零件
3、的疲劳性能 1 。 通过 在材料表面 产生加工硬化层 和 残余 压 应力 ，裂纹的产生和传播在循环载荷下 减慢 ,从而提高 疲劳性能 。 LSP是一种 用 来 改善表面硬度、疲劳性能、耐蚀性和耐磨性 的有效方法 2 。 钢被广泛应用于工业中， 关于 钢的 LSP进行了 广泛的 研究 。例如 ,Nikitin 43对 AISI 304钢在 LSP和 深滚轧 (DR)后 ， 比较了近表面微结构变化和 疲劳寿命 的提高 。 Hu 5 对 AISI 1045钢 LSP后 ,利用 ANSYS软件 ,进行了实验验证。 Chu 6 比较了哈德菲尔德锰钢在 LSP， DR，机械喷丸（ SP）三种条
4、件下的微观结构，硬度和残余应力 。在 Chu的研究中， 由于一个高密度 -马氏体阶段的形成， LSP导致了一个更高的硬度 。 然而 , 表面处理技术 (SP,LSP)下 残余 压 应力 的 产生 在循环荷载作用下不稳定 87 , 特别是在高温 下 不稳定 10943 。 例如 ,Altenberger 11 等人对 残余 压 应力和表面纳米 晶粒 的热稳定性进行了研究，对 AISI304不锈钢和 Ti64合金采用动态析出 和 LSP的 研究。 观察到完整的残余应力在 550-600 C0 释放，由于 近表面的微观结构 热不稳定 性 。 以这种方式 ,用 LSP改善 疲
5、劳寿 命 ,还是有局限性的 。 动态应 变时效 (DSA)和 DP能提高金属材料的微 结构 的 稳定性。 DSA 1312中， 扩散的 C(碳 )和 N(氮气 )原子 在 150 300 C0 范围内 ，在 位错 核周围弥散分布 ,这 对于钢来说是一个重要的强化 机理 14 。 在 DSA下位错 和溶质原子 的 相互 作用导致了重复的位错钉接 ,从而 改善了 加工硬化 1513 。 在 DSA温度 下， 溶质原子 (碳和氮 )滑移 到 位错核心 ，在钢中形成 Cottrell云 16 ， 在塑性 变形中 产生 钉接作用 和抑制位错 运动 。 由于连续的 塑
6、性变形 ,新的 滑移 位错必然产生。 这导致位错的增加 和 一个较高的位错密度和更均匀位错分布 。 这在钢的实验中得到了利用 ， 例如 ,Chen 17 改善了 AISI304不锈钢在 DSA的温 度下 塑性 变形 的疲劳性能 。Kerscher等人 18 ， 在 DSA温度下用 TMT改善了 SAE 5210钢 的 疲劳性能 ,并 确定了 能最大程度提高疲劳寿命的 最佳温度 (335 C0 )。 Huang等人 19 在室温和3000C 下 分别 对 SA533B3钢进行了 疲劳性 能 的 比较，发现 在 300 C0 循环荷载作用下 具有 更好的疲劳性能 ， 这是 DSA和 碳化物 析出
7、共同作用的结果 。 在热变形下的 动态析出也是如此 ， 称为 SIP。 动态析出不同于静态 析出 ,前者产生了纳米级析出物。 动态析出变形产生的位错作为产生动态析出物的形核点 。与 静态析出比较，动态 析出效率 提高 ，在短时间内达到峰值硬度。 Tiitto等人， 研究了动态析出对合金钢热流行为的影响 ，结果表明 ， 由于动态析出的高峰钉接 强度 导致在热变形中流动 曲线 的高峰 。经过研究 ， DSA可以提高变形产生的位错密度 。 高密 度的位错 可以对动态析出 提供许多潜在的成核点 。 因此 ， 通过 DSA改善了 DP的 效率 。 Liao等人 提出了 一个形核机理 来解释
8、在 WLSP下的 中密集 析出 ,发现在 高应变速率 变形下的位错 和变形后 的 高温是最重要的两个因素。 通过实验验证了该 模型 。 表面处理技术的性能 ,包括 LSP， DR和 SP， 改善了 DSP和 DP的利用率 。Matlock 15 ， 在室温 和 260 C0 (DSA温度 )下， 比较了 AISI 4140钢的 DR作用 。结果表明 ， DR在 DSA温度 时 大大增加了核心硬度 ， 也形成 了一个更加稳定的 位错结构 ,从而 疲劳性能 得到 提高。 Harada 25 对在室温下弹簧钢的 机械 喷丸 和 在 不同温度 (1000C ,2000C ,3000C 和
9、4000C )进行了比较 。 发现 SP在最佳处理 温度 (200 C0 )时能 提高了 近表面 残余压应力和硬度 ， 这是因为高温时应力流的减少。 此外还 发现 , 由于在处理温度高于 2000C 时 ， SP产生的 残余压应力减少了 。虽然它不是 Harada 25 提到 的在 200 C0 (DSA温度制度 )下硬度的增加 ，但 也可以部分地归因于 DSA， DSA通过 Cottrell云使位错间产生钉接作用，得到更大的位错密度，更好的加工硬化 。 Wick 26 ,Menig和 Schulze对 AISI 4140钢进行 温 机械喷丸 ， 论证 了 SP在高温下 (3000C 左右 )
10、提高了残余应力的 稳定性 和 更高 的疲劳性能。Wick 26 教授 发现 在温 静态和动态应变强化 后 的试样， 有着 一个较高的表面硬度。此外 ,DSA在温喷 丸强化 形成高密度结构和更均匀的位错分布 , 在循环载荷 下 具有 更高的 残余应力 稳定性 。 作为 一个先进 的表面处理技术 LSP也可以 利用 TMT在 DSA温度 (1500C - 300 C0 )下处理钢 。 因此 ,这有利于 研究 LSP改善疲劳性能下 处理温 度的影响 。 在以前的研究中， 我们发现 , 在 AA 6061合金通过位错钉接形成一个高密度的，通过动态生成纳米级 析出 物 ，温表面激光冲击强化
11、(WLSP)可显著提高残余 压 应力的稳定性 。 在这 研究中，对 AISI4140钢 WLSP下 疲劳性能的影响进行了研究。 2、实验 2.1、材料 试样是从 AISI4140钢板上切取加工的 ，其 化学成分 为 0.41碳 ,0.21硅、 0.83锰 ,0.025磷 ,0.027硫 ,0.91铬、 0.18镆，剩 余是 Fe(所有 wt. %)。试样尺寸 是 76.2*10 *2.38毫米。 在 LSP前 试样 经过加热 20分钟 的 8500C 奥氏体化，然后用 油淬火到250C ，然后 4500C 回火 2小时 ，接着 在真空炉 中冷却 。 这个过程导致不锈钢 中含有维氏硬度 (图 4)和回火 马氏体组织 的微光结构 。
