低碳马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo磨削表层屈服强度的研究.pdf

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1、第 4 1卷第 6期 2 0 0 5 年 6 月 机械工程学报 CHI NESE J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGIN EERI NG Vo1 41 J u n N O 6 2 0 0 5 低碳马 氏体不锈钢 0 Cr l 3 Ni 4 Mo 磨削表层屈服强度的研究木 马素媛 ( 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家( 联合) 实验室 陈 瑞 ( 沈阳铸造研究所沈阳 1 1 0 0 2 1 ) 王东林李家宝 ( 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家( 联合) 实验室 郝学卓李宝东 f 沈阳铸造研究所沈阳 1 1 0 0 2 1 ) 沈阳1 1 0 0 1 6 1 沈阳

2、1 1 0 0 1 6 ) 摘要 ：借助 x射线应力分析技术测量 了屈服 强度在 马氏体不锈钢 O C r l 3 Ni 4 Mo磨削影响层上的分布 ，同时测 量或计算 了残余应 力、x射线衍射线半高宽、显微硬度 、嵌镶块尺寸 、微观应变和位错密度等参量 的沿层深分 布 。结果表 明，该影响层的屈服强度大幅度提高 了，与用半高宽和显微硬度 比较起 来，用 屈服强度 作指标能 够更好地反映磨削影响层的强化 。磨削表面 的条件屈服强度提高 了约 5 0 ，嵌镶块尺寸从约 6 4 n m减 小到约 2 8 n m，微观应变从约 7 1 0 4增高至约 1 4 1 0 _ 4 。磨削影响层的条件屈服强

3、度c ro 2 与位错密度的平方根之间存在 线性关系。这些结果说 明，磨 削表面 发生了严 重的塑性形变 。冷作塑性形变强化 是磨削影 响层的屈服强度 得 以提高的根本原 因。 关键词：x射线应力分析磨削 屈服强度显微硬度位错密度 中图分类号：T G1 4 2 2 3 种分布 的原因 。 0 前言 磨削可使金属材料的表层硬化( 或软化) ，从而 影响零件的疲劳性能。通常用显微硬度，有时也 用X射线衍射线的半高宽来表征该硬化的程度与硬 化层的深度担 J 。但是，显微硬度与材料的弹性、塑 性、加工硬化指数、强度和韧性等有关，是一个综 合性的指标 ，而且材料的残余应力状态对其测量 结果有较大的影响

4、6 J 。 半高宽表征的是材料的结构 状态 ，只能间接地反 映它 的力学特 性 。因而显微 硬 度和半高宽都不能像屈服强度那样直接反映磨削表 层对 塑性形变的抗力 。李家宝 8 】 不久前建立 了一种 测量具有 二维残余应 力的金属表层 的屈服强 度沿层 深分布 的方法 。 利用该方法测量 了用于制造水轮机过流部件的 低碳 马 氏体不锈钢 0 C r l 3 Ni 4 Mo磨削影 响层 的屈服 强度沿层深分布，并从微观结构角度分析了产生这 国家 自然科学基金资助项 目( 5 9 9 7 1 0 6 1 ) 。2 0 0 4 0 5 1 5收到初稿 2 0 0 4 1 2 2 1 收到修改稿 1

5、 屈服强度沿层深分布测量方法简述 金属表面的残余应力往往是二维的，其两个主 方向位于表面所处的平面上。利用平板试样进行测 量 ，并假设其纵向和横 向是表面残余应力的两个主 方 向。在此条件下，若沿纵向对试样逐级加载，表 面的应力状态仍将是二维的， 且两个主方向保持不变。 利用电阻应变片和 X射线应力分析技术测量经 过 1 0 0 0正火和 6 0 0回火处理的马氏体不锈钢 0 C r l 3 Ni 4 Mo 的磨 削表面在各 级载荷 下的外载应 变 、表面 纵 向应 力 和横 向应 力 ，结 果如 图 1 所 示 。图中箭 头所指测 量点为弹性 变形段与 塑性变 形段的交界点。从图 1中可以看

6、 出，在表面形变的 弹性段， 和 之间具有线性关系，而在塑性段， 一 s 关系偏离线性规律。 磨削表面在各级载荷下的等效应力 c Y= ( 1 ) 定义一个称作等效单轴弹性应变的新参量否 维普资讯 http:/ 2 6 机械工程学报 第 4 1卷第 6期 = E 式中E材料的弹性模量 6 I 二 b R 外载 变 s 1 0 一 图 1 磨削表面的纵 向应力 ，横向应力 与外载应变品之 间的关系 可由图 1 所示 曲线的塑性段的每两相邻测量点 的 、 ， 、C e 的测量值和 的计算值求出由外载 应 变 增量 A e o 所 产 生 的表 面 等效 塑性应 变 增量 ，并进而采用求和方法计算各

7、测量点的等效塑 性应变总量 J 。 分别利用式( 3 ) 、 ( 4 ) 定义弹性段和塑性段的等效 单轴应变 m + ( 3 ) ( 4 ) 则可证明，在平面直角坐标系里，由式( 1 算出的等 效应 力 和 由式( 3 ) 、( 4 ) 算 出的等 效单轴 应变 之间的关系 曲线可 以与 由常规单轴拉伸试验得 到的应力一应变曲线直接比较【1 J ， 从而可以利用单 轴拉伸试验求取屈服强度的方法，从 一 关系 曲 线得到具有二维残余应力的金属表面被应力测定所 用特征 X 射线穿透的薄层f 一般为几个或几十个微 米) 的屈服强度。在若干个试样上， 利用化学腐蚀或 电解抛光等无应变剥层方法去除不同厚

8、度的表层后 再进行上述测量 ， 则可 求得屈服强度 的沿 层深 分布 。 2 试验方法 试验所用低碳马氏体不锈钢 0 C r l 3 N i 4 Mo的化 学成分( 质量分数) 为 ： 0 0 4 C、 0 4 5 S i 、 0 5 3 Mn 、 0 01 5 S、 0 01 6 P、1 3 7 3 Cr 、 4 6 O Ni 、 0 6 5 M o。 板状试样经过 6 h 、1 0 0 0正火和 6 h 、6 0 0回火 处理后，弹性模量为 2 0 0 G P a 。进行磨削处理，试 验条件为： 采用经过修整的 6 O 筛号白刚玉砂轮 ， 磨 削方 向与试样纵 向平行 ，砂轮表面的线速度1

9、 9 6 m s ， 垂直进给量 O 0 1 m r fl ， 工件移动速度 1 4 m mi n ， 冷 却液流量 2 7 L mi n ，双面磨削 ，每 面的总磨削 厚 度 0 2 rai n 。磨削完成后，试样标距范围内的尺寸为 4 0mn l X l 0mn l X4mi n。 为了测量屈服强度沿磨削影响层层深的分布， 采用电解抛光方法双面剥离表层 。 预试验结果表明， 可以把试样表面的纵 向( 长度方向) 和横向看作是表 面二维残余 应力 的两个 主方 向，因而只要沿试样 的 纵向逐级加载，就可以利用前面介绍的方法测量屈 服强度沿磨 削影响层层深 的分布 。 采用单轴拉伸加载方式对试

10、样逐级加载。利用 X射线应力分析技术测量试样在各级载荷下的纵向 应力 和横向应力 ， ， 利用粘贴在试样正反两面的 五只电阻应变片来测量外载应变 。应力分析用的 特征 X 射线和衍射 晶面分别为C r K a和a F e ( 2 l 1 f Cr Ka对钢 试样表面 的有效穿透深度 约 5 4 I x m) ， 计 算应力所用的X射线弹性常数可由每个被测表面弹 性段的应力应变关系求出 J 。在上述试验条件下 ， 测量结果反映各试样厚为 5 4 Ix m 的表层 的屈服 强度 。 利用X射线应力分析技术测量残余应力和X射 线衍射线半高宽的沿层深分布， 所用特征谱线和衍射 晶面与上面所述相同。利用

11、 电解抛光方法作单面剥 层 ，对应力测量结果进行剥层应力弛豫校正 。显微硬 度测量在试样的横断面上进行。藉助 V o i g t 函数法 由 试样和标样的衍射线计算微观应变和嵌镶块尺寸f 9 】 。 3 试验 结果与讨论 3 1 磨削影响层的屈服强度 图 2为利用图 1 的数据和第 1 节介绍的方法求 得 的磨削表面的等效应力 与等效单轴应变 的 关系曲线，图 2中箭头所指测量点对应于图 1 的箭 头所指测量点，为弹性段和塑性段的交界点，点划 线为求取残 留等效单轴应变( 相当于单轴拉伸试验 中的残留应变) 等于 0 1 和 0 2 的条件屈服强度 和 ( 上角标 S表示是利用表面屈服强度测量

12、 方法测得 的结果) 的作图线 。 等效单轴 应变g m l i 0 图 2 磨削表面的等效应力 与等效单轴 应变 之 间的关系 维普资讯 http:/ 2 0 0 5 年6 月 马素嫒等：低碳马氏 体不锈钢0 C r l 3 N i4 M o 磨削表层屈服强度的 鲤究 图 3给出了条件屈服强度在磨削影响层的沿层 深分布；两条水平线分别给出了从块体拉伸试验得 到条件屈服强度 c r o 。 和 c r o 2 。 从图3可以看 出， 当层 深达到 3 0 u m后，就进入了未受磨削影响的心部。 这时， 和 ， 测量值曲线上的值明显低于利用常 规拉伸试验方法测得的块体材料的 c r 0 。 和

13、c r o ： 。 出现 这种现象的原因主要是： 表面薄层受到的约束较 小，位错易于逃逸出表面，因此其塑性形变抗力会 小于块体材料的平均塑性形变抗力。 进行表面屈 服强度测 量时 的加载速 率远远低 于常规拉伸试 验 的 加载速率。利用块体材料的c r o 。 和 c r o 与 。 和 测量值 曲线在 2 0 0 u m 处的数值之差来校正磨削表 层的 和 ， 曲线( 图3中的两条实线曲线) ，得到 图 3的两条虚线 曲线 。 二 _ 越 暖 肇 哩 1 1 O O 9 00 8 0 0 7 o o 、 I 测量值 l 一、 j ” 与表面的 距离 I p ,m 图 3 磨削影响层的屈服强度

14、沿层深分布 图 3说明 ，在所用 的磨削条件下 ，马 氏体不锈 钢 0 C r l 3 Ni 4 Mo的磨削影 响层厚约 3 0 u m，与块体 材料( 或试样的心部) 相比较，该影响层的屈服强度 提高了，磨削表面的条件屈服强度 比心部的条件屈 服强度高出约 3 4 0 MP a ，提高约 5 0 。这个结果说 明，磨削表面发生了严重的塑性变形。金属材料的 屈服强度越高，裂纹萌生抗力则越大，而且疲劳强 度 也越 高l J 。显然 ，磨 削影响层 的上述 强化 对于改 善零件的疲劳性能是有好处的。 3 2 磨削影响层的残余应力、半高宽和显微硬度 参考文献 1 1 指出的磨削影响层 的残余应力分

15、布规律是：当磨削条件较好时，工件表面将 出现残 余压应力，而当磨削条件苛刻f 砂轮钝而且线速度 高、每道的进给量大、冷却不充分等) 时，工件表面 将 出现 残余拉应力 ，该残余拉应 力 的极大值 很可 能 处在表 下 ，而且残余拉应 力层较厚 。图 4所 给 的结 果说明，对于马氏体不锈钢 0 C r l 3 Ni4 Mo ，所使用 的磨削条件属于中等，因而磨削影响层的残余应力 不大。但应指出的是，试样表面的纵向残余应力虽 为负值，但在表下约 3 0 m的层深部位，却有残余 拉应 力 。这个结果说 明，对于磨 削零件 的残余应 力， 只作表面测量 是不够 的。 日 量 O 4O 8 O 1 2

16、 O 1 6 0 2 0 0 2 4 0 28 0 与表 面的距离 m 图 4 磨削影响层的纵向残余应力沿层深分布 图 5 所给的 X射线衍射线半高宽和显微硬度沿 磨削影响层层深的分布规律( 显微硬度的表面值是 在磨削表面上测的，其余显微硬度值是在斜截面上 测 的) 与图 3所给的条件屈服强度的沿层深的分布 规律相似，这也说明磨削影响层得到了强化( 硬化) 。 但将图 5与图 3加以比较可以看出，磨削影响层的 显微硬度增加的值相对较小，用屈服强度来表征磨 削影 响层 的强化( 硬化) 显然更加 合理 。 凸_ 至 工 挺 图 5 磨削影响层的半高宽和显微硬度沿层深分布 3 3 磨削影晌层强化的

17、微观机制 马 氏体不锈钢 0 C r 1 3 Ni 4 Mo的磨 削影响层 的强 化( 硬化) 显然是由于磨削过程中试样表层发生塑性 形变，因而其微观结构发生变化造成的。下面讨论 这个 问题 。 利用 V o i g t函数法对从不 同层深部位得 到的 X 射线衍射线进行线形分析 惦 ，可以得到嵌镶块尺 寸 和 以均方根表 示的微观应变 沿磨 削影 响层 的 层深分布 ，结果见图 6 。图 6说明，砂轮使试样表 层在磨削过程中发生的塑性形变 ，一方面使其嵌镶 块尺寸大幅度减小( 对于表面， 从约 6 4 n l n减小至约 2 8 n l l 1 ) ，另一 方面 使其 微观 应变 显著 增大

18、 f 对 于表 面 ，从约 71 0 - 4 增大至约 1 41 0 - 4 ) 。嵌镶块 尺寸 减小和微观应变增大都可以使金属材料强化 。正是 由于微观结构的这种变化使得磨削影响层的屈服强 度大幅度提高。还可以定量讨论这个问题。 已有许多试验结果表明，经冷作塑性变形强化 如 0 如 加 维普资讯 http:/ 2 8 机械工程学报 第 4 l 卷第 6期 的纯金属或成分简单的合金的屈服点 或 与其 位错密度 JD间存在如下 B a i l e y Hir s c h关系 。 】 =r o +aGI bI P“ 或 ：o - o + G I b I “ 式中 ， 与材料有关的常数 G材料的切变

19、模量 6位错 的柏 格斯矢量 ，c r 0 材料在无位错 条件下 的屈服应 力，它们反映位错交互作用以外 的因素对位错运动的阻力 量 爨 鲞 与表面 的距离 1 p m 图 6 磨削影响层的嵌镶块尺寸和微观应变沿层深分布 该二式表明，冷变形纯金属或成分简单合金的 屈服点 或 与位错密度的平方根 P “ 之间存在 线性关系。p与嵌镶块尺寸 和微观应变 之间存 在如 下关系【 J J ： 三 L ( 5 ) 一 ( 5 ) 根据式( 5 ) ，并取I 6 I = 0 2 5 n m，利用图 5 的 数 据 可 以算 得 在 磨 削 表 层 的分 布 ，结 果 见 图 7 。在适当的范围 内等间隔选

20、取 “ ，从 图 7 读出与它们相应的层深。在图 3的 ， 修正曲线上 读出这些层深部位 的仃 ，用 “ 作横坐标，用对 应的 作纵坐标， 得图 8 。 从图中可以看出，经过 正火和回火处理的马氏体不锈钢 O C r l 3 Ni 4 Mo 的 磨削影响层不同深度处的条件屈服强度与位错密 图 7 磨削影响层的位错密度沿层深分布 度的平方根之间也存在很好 的线性关系，即o - 0 = 4 4 3 + 2 5 9 1 0 4 p“ 。这个结果一方面说明，即使对 于 0 C r l 3 Ni4 Mo这种成分比较复杂的合金，B a i l e y H i r s c h关系仍然成立，另一方面还进一步说

21、明，冷 作塑 性变形 强化是 试样磨 削影 响层 强化 的根 本 原 因。 骤 苍 噎 位错 密度平方根 0 o c f n 一 1 ) 图 8 磨削影响层的屈服强度与位错密度平方根的关系 4 结论 ( 1 )用 X射线应力分析技术可以测量磨削影响 层的屈服强度沿层深分布。 ( 2 )磨削使得马氏体不锈钢 0 C r l 3 N i 4 Mo磨削 表层的屈服强度大幅度提高，磨削表面的条件屈服 强度提高约 5 0 。 其显微硬度和 X射线衍射线半高 宽值也明显增大了。三个参量相 比之下，用屈服强 度 做参量能够 更好地反 映磨 削影 响层 的强化 。 ( 3 )磨削影响层 的嵌镶块尺寸大幅度减小

22、，微 观应变和位错密度显著增大，条件屈服强度与位错 密度的平方根之间存在 良好的线性关系。试样表层 在磨削过程中发生的塑性变形是磨削影响层的屈服 强度得到提 高的根本原 因。 l 2 3 参考文献 孟少农机械加 工工艺手册，第一卷北京 ：机械工业 出版社，1 9 9 1 P i n a J Di a s A M ，Le b r u n J L S t u d y o f r e s i d u a l s t r e s s a n d c o l d wo r k i n g g e n e r a t e d b y ma c h i n i n g o f AI CI H 1 3 s t

23、 e e 1 I n： Be c k G， De n i s S ，S i mo n A，e d s ， P r o c 2 n d I n t Co nf o n Re s i d u a l S tre s s e s ，Lo n d o n： El s e v i e r Ap p l i e d S c i e n c e ，1 9 8 9： 6 9 0 6 9 5 J i N， Le b r u n J L， Be l l i a r d e t a 1 M i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f

24、 h e a t - tre a t e d c o l d wo r k e d s t e e l s a n d f a t i g ue s h o t - p e e n e d a l umi n i u m b y X r a y d i ff r a c t i o n p r o fil e a n a l y s i s I n ： Be c k G，De ni s S ，S i mo n A，e d s ，P r o c 2 n d I n t Co n o n Re s i d u a l S tre s s e s ，Lo n d o n- El s e v i e

25、r Ap p l i e d S c i e n c e 1 9 8 9：6 5 7 0 维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 6月 马素嫒等：低碳马氏体不锈钢 0 Cr 1 3 Ni 4 Mo磨削表层屈服强度的研究 2 9 4 金属机械性能编写组金属机械性 能北京：机械工业 出版社，1 9 8 2 5 香川胜残余应力对表面硬度测量 的影响 材料试验 技术 ，1 9 8 8 ，3 3 ( 4 ) ：2 3 7 2 4 5 6 香川胜磨削 引入 的残余应 力对表面硬度测量 的影 响 材料试验技术 ，1 9 8 9 ，3 4 ( 4 ) ：2 8 7 2 9 4 7 李家宝 利用 x射线衍射方

26、法确定金属工艺表面的应力 一 应变关系 材料研究学报 ，1 9 9 8 ，l 2 ( 3 ) ：2 8 7 2 9 0 8 Li J B， L i u F Z， J i V I n flu e n c e o fs h o t p e e n i n g o n s u p e r fi c i a l y i e l d s t r e n g t h o f s p rin g s t e e l i n h a r d s t a t e S u r f E n g 1 9 9 8 ， 1 4 ( 6 ) ：4 6 9 4 7 2 9 徐建辉V o i g t函数法线形分析技术的改进及其

27、在喷丸 组织强化研究 中的应用：【 硕士学位论文】 沈阳 ：中国 科学院金属研究所，2 0 0 3 1 0 Ha y d e n H Fl o r e e n S Th e f a t i g u e b e h a v i o r o f fin e g r a i n e d t wo - p h a s e a l l o y s Me t a l 1 T r a n s ，1 9 7 3 ，4 ( 2 ) ： 5 6l 5 6 8 l l Hi l l e y M E， Lars o n J A，J a t c z a k C F ， e t a 1 Re s i d u a l S

28、tre s s M e a s u r e me n t b y X- r a y Di f f r a c t i o nS AE J 7 8 4 a ，Wa r r e n - d a l e ： S AE 1 9 71 l 2 冯端，王业宁，吴希俊金属物理学，第三卷，北京： 科学出版社 ，1 9 9 9 l 3 赖祖涵金属的晶体缺陷与力学性质北京 ：冶金工业 出版社 ，1 9 8 8 1 4 V6 h r i n g e r 0 Ch a n g e s i n t h e s t a t e o f t h e ma t e ria l b y s h o t p e e n i n

29、g I n：W o hl f a h r t ，Ko p p R，e d s ，S h o t Pe e n i n g S c i - e n c e T e c h n o l o g y Ap p l i c a t i o n ， Ob e r u r s e h I n fo r m a t i o n s g e - s e l l s c h a ff Ve r l a g ，1 9 8 7： l 8 5 2 0 4 RES EARCH oN YI ELD S TRENG TH I N GRI NDI NG S UR CE LAYER oF A LOW CARBoN M ARTE

30、NS I TE S TAI NLES S S TEEL 0 Cr 1 3 Ni 4 M o M a S u yu a n ( S h e n y a n g N a t i o n a l L a b o r a t o r y f o Ma t e r i a ls S c i e n c e ， I n s t i t u t e o f Me t a l R e s e a r c h ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 Ch !e nRu i ( S h e n y

31、a n g I n s t i t u t e ofC a s t i n g R e s e a r c h ， S h e n y a n g 1 1 0 0 2 1 ) Wa n g Do n g l i n Li J i a b a o ( S h e n y a n g N a t io n a l L a b o r a t o ryf o Ma t e r i a ls S c i e n c e ， I n s t i t u t e o f Me t a l R e s e a r c h ， C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n

32、c e s ， S h e n y a n g 1 1 0 0 1 Ha oXu e z h u o L i Ba o d o n g ( S h e n y a n g I n s t i t u t e ofC ast i n g R e s e a r c h ， S h e n y a n g 1 1 0 0 2 1 ) Abs t r a c t ：Th e d e p t h d i s t r i b u t i o n o f y i e l d s tre n g t h i n g r i n d i n g a ffe c t e d l a y e r o f ma r

33、 t e n s i t e s t a i n l e s s s t e e l 0 Cr l 3 Ni 4 Mo i s me a s ure d b y u s i n g X- r a y s tre s s a n a l y s i s t e c h n i q u e Me an wh i l e ， t h e d e p t h d i s t r i b u t i o n s o f o t h e r p ara me t e r s ，s u c h a s r e s i d u a l s tre s s ，h a l f - wi d t h v a l u

34、e s o f X- r a y d i ffr a c t i o n p r o fi l e ，mi c r o h ard n e s s ， mo s a i c b l o c k s i z e ， mi c r o s tra i n an d d i s l o c a t i o n d e n s i t y are me asure d o r c a l c u l a t e d Th e e x pe rime n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e y i e l d s tr e n gth i

35、n s u c h l a y e r g r e a t l y i n c r e ase s Co mp are d t o t h e h a l f - wi d t h v a l u e s a n d mi c r o h ard ne s s ，t h e yi e l d s tre n g t h wi l l be t h e b e t t e r c h ara c t e ris t i c p ara me t e r u s e d t o r e fle c t t h e s tre n g t h e ni n g i n g r i n d i n g

36、 a ffe c t e d l a y e r Fo r t h e g r i n d i n g S ur f a c e t h e p r o of s tre s s i n c r e a s e s b y a b o u t 5 0 p e r c e n t s ， t h e mo s a i c b l o c k s i z e d e c r e a s e s f r o m a bo u t 6 4 n m t o 2 8 n mwh i l e t h e mi c r o s tra i n i n c r e a s e s fro m 7 l O 0 t

37、 o 1 4 l O 0 o r s o Th e r e l a t i o n b e tw e e n t h e p r o o f s tre s s ，O r0 2 ， a n d t h e s q u are r o o t of d i s l o c a t i o n d e n s i ty i s l i n e arAl l t h e s e r e s u l ts s h o w tha t s e v e r e p l ast i c d e f o r ma t i o n o c c u r r e d o n t he g ri n d i n g

38、s u r f a c e ， t h e s tra i n s tre n g t h e n i n g i s t h e b asi c r e a s o n f o r t h e i n c r e ase o f t h e y i e l d s tre n g t h i n g r i n d i n g a ffe c t e d l a y e r Ke y wo r ds ： X- r a y s tre s s an a l y s i s Gr i n d i n g Y i e l d s tr e n gth M i c r o h ard n e s s Di s l o c a t i o n d e n s i ty 作者简介：马素嫒 ，女，1 9 7 6年 出生 ，博士研 究生。主要从事金属材料 表面的物理和力学性质方面的研究 。 E ma i l ：s y l l l a i m r a c c n 维普资讯 http:/