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抛丸机强化对车轮辐板疲惫性能的影响

文章出处:青岛鼎铸重工机械有限公司 公布时间:2018-05-18 16:36

    要:研究了车轮辐板光滑样、抛丸样和含0.2、0.5mm缺口抛丸样的疲惫性能。结果表明, 与光滑样比, 抛丸样疲惫极限提高约20%;含0.2mm缺口抛丸样的疲惫极限比光滑样略有下降;含0.5mm缺口抛丸样的样疲惫性能显著降低。断口分析表明, 疲惫源起于试样外貌, 缺口样的疲惫源位于缺口处。0.2mm深的缺口处依旧处于抛丸影响地区, 0.5mm深的缺口进入基体。辐板外貌抛丸强化处置对提高疲惫性能具有显著效果, 但抛丸后的外貌如果发生缺陷, 抛丸的有利作用会受到抵消, 缺陷深度大于硬化层深度时, 抛丸发生了负面作用, 会促进疲惫裂纹的萌生和扩展。对喷丸处置的零件, 防止外貌受外部影响而发生缺陷至关重要。
 

0前言

使用抛丸强化来改善零件的抗疲惫属性和延缓、阻滞应力腐蚀裂纹形成, 已被美国机械工程师学会等机构确认证实[1]。车轮辐板抛丸处置后残余应力的大小及分布对辐板的疲惫性能具有重要影响。有研究表明, 抛丸处置可使零件的疲惫寿命显著提高, 一方面是通过冷塑性变形提高原料强度, 另一方面是零件表层分布的残余压应力可阻止裂纹的形成与扩展。

1 实验原料和实验方法

实验原料从AAR B车轮辐板沿径向取样, 其常规力学性能为:Rel=462MPa, Rm=911MPa, A=14.0%, Z=26%。疲惫试样采纳漏斗型, 见图1。试样的4种类型为:

1) 光滑试样选择直径为Ø8mm试样。

2) 抛丸样选择直径为Ø5mm试样, 抛丸强度4C。

3) Ø5mm样, 抛丸强度4C, 在试样中心最小直径处用线切割机切制0.2mm的缺口, 以下称为抛丸缺口0.2mm样。

4) Ø8mm样, 抛丸强度8C, 在试样中心最小直径处用线切割机切制0.5mm的缺口, 以下称为抛丸缺口0.5mm样。

图1 疲惫试样图

图1 疲惫试样图 

 

疲惫实验采纳轴向加载, 拉压对称循环载荷, 循环应力比R=-1。实验在Zwick HFP 100kN高频疲惫实验机上进行。实验情况为室温、大气, 正弦波加载, 载荷操纵精度为0.5%, 用升降法测量了107循环周次下的中值疲惫强度, 即疲惫极限, 实验情况如图2所示。

2 实验结果

2.1 疲惫极限实验

以107 cycle作为定义升阶梯 (runouts) 是否通过的极限寿命判定值, 按照正态分布模型统计, 数据由软件Statistical Analysis of Fatigue Data Version5.5计算软件处置, 给出分析曲线。4种方式疲惫极限实验分析结果如图3所示。

图2 Zwick HFP 100kN高频疲惫实验机实验

图2 Zwick HFP 100kN高频疲惫实验机实验   下载原图

 

图3 4种试样疲惫寿命

图3 4种试样疲惫寿命   下载原图

 

车轮辐板4种方式试样失效概率P为50%时疲惫极限实验结果见图4, 结果表明:

1) 与光滑样比, 抛丸样提高疲惫极限约20%。

2) 抛丸缺口0.2mm疲惫极限比光滑样略有下降。

3) 抛丸缺口0.5mm样疲惫性能显著降低。

图4 车轮辐板试样疲惫极限图

图4 车轮辐板试样疲惫极限图   下载原图

 

2.2 显微硬度实验

4种试样组织均为铁素体-珠光体, 在试样近表层进行显微硬度分布分析, 结果见图5, 能够看出, 抛丸使试样表层硬度有所提高, 如图6所示, 抛丸对表层硬度的影响范围不超越0.45mm。

图5 试样近外貌显微硬度

图5 试样近外貌显微硬度   下载原图

 

图6 3根抛丸试样近外貌显微硬度平均值

图6 3根抛丸试样近外貌显微硬度平均值   下载原图

 

3 断口扫描电镜分析

取疲惫试样断口进行扫描电镜观察, 形貌分别见图7, 4种试样断口照片显示疲惫源均位于试样外貌, 裂纹扩展区均出现二次裂纹, 瞬断区碰撞踪迹显著。由图7发现, 抛丸缺口0.5mm样疲惫源区也出现显著的碰撞踪迹, 说明由于该试样缺口切制较深, 拉压疲惫时, 裂纹扩展较快, 易于失稳, 整个试样外貌发生反复碰撞的几率加大, 碰撞踪迹显著。

图7 试样断口扫描照片

图7 试样断口扫描照片   下载原图

 

4 实验结果分析

从金属力学性能的角度看, 要提高疲惫抗力, 应该尽可能幸免局部聚积的塑性变形、以发生均匀的滑移, 均匀、细微的塑性变形会使滑移均匀化。通过长期的生产实践, 人们找到了在金属外貌进行塑性变形、提高零件疲惫强度的主要方法, 即通过冷作硬化在金属外貌形成残余压应力。

抛丸强化是金属构件外貌形变强化的有效工艺手段之一, 金属零件在抛丸处置时受到高速钢丸的打击, 在零件外貌发生均匀细微的冷态变形 (弹性的、塑性的) , 在使零件外貌强度、硬度提高的同时, 还使金属表层发生了残留压应力, 这个进程称之为抛丸强化。

抛丸处置是抗疲惫和防止应力腐蚀裂纹的有效措施, 其原理是, 在零件容易发生疲惫的外貌处引入压应力, 能限止裂纹的发生和开展。残余拉应力能降低零件的疲惫寿命, 而压应力则趋向于增加疲惫寿命[1]。

一般情况下, 钢的疲惫强度随其抗拉强度的提高而上升, 通过抛丸强化能够获得更高的抗疲惫性能, 对试样进行抛丸强化的基础理论或设计原则是:通过抛丸强化工艺使差别特性的原料获得对自己有最佳的有益残余应力大小和分布, 或最佳残余压应力场, 从而使原料获得高的抗疲惫裂纹萌生值或者提高抗裂纹扩展的阻力。80%以上的机械零件失效为疲惫破坏, 其中绝大多数疲惫破坏源于外貌层, 因此, 对外貌层进行强化就能使整个零件强化[2]。

从图7能够看出, 采纳4C的强度抛丸, 试样外貌下0.45mm地区内硬度并未显示显著差异, 说明抛丸强度的变化对抛丸效果影响较弱。而从光滑样与喷丸样的比较看, 表层发生了硬度变化, 硬度提高了约30HV0.2, 说明, 抛丸发生了外貌强化作用。

从试样疲惫极限的比较看, 光滑样与抛丸样的结果差异说明, 抛丸所发生的外貌强化能够显著提高疲惫性能;而光滑样与含缺口抛丸样的结果差异则表明, 抛丸后一旦外貌发生缺陷, 如缺陷深度小于硬化层深度 (抛丸缺口0.2mm样) , 将局部或完全抵消抛丸的有利作用;如缺陷深度大于硬化层深度 (抛丸缺口0.5mm样) , 抛丸将大大降低疲惫极限反而会促进缺陷成为裂纹源并进一步扩展, 因此, 对抛丸处置后的零件, 防止外貌受到外来影响 (碰撞、锈蚀等) 而发生缺陷至关重要。

5 结语

1) 对原始外貌光滑的试样, 抛丸处置使疲惫极限提高约20%, 抛丸提高疲惫性能的效果显著。

2) 喷丸处置后, 如外貌发生缺陷, 其深度小于硬化层深度时, 将局部或完全抵消抛丸的有利作用;深度大于硬化层深度时, 抛丸将促进缺陷成为疲惫源并进一步开展, 降低疲惫极限。

3) 对抛丸处置后的零件, 防止外貌受到外来影响 (碰撞、锈蚀等) 而发生缺陷至关重要。


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