弹簧钢60si2mn脱碳表面的应力分析.doc

1、弹簧钢 60Si2Mn 脱碳表面的应力分析第 3O 卷第 2 期2006 年 4 月兰州理工大学JournalofLamhouUniversityofTechnologyV01.32N0.2Apr.2006文章编号:1673-5196(2006)02-0028-03弹簧钢 60Si2Mn 脱碳表面的应力分析刘凤智(辽宁石油化工大学理学院.辽宁抚顺 113001)摘要:弹簧钢 60Si2Mn 在热处理过程中会发生脱碳.由于脱碳会严重影响零件的使用性能.因此可采用喷丸的方法来提高苹件的使用性能,喷丸在材料表面产生的残余应力是二维的.基于此,讨论了喷丸强化对脱碳表层的影响,利用 X 射线应力分析技术

2、及 Mises 等效应力法.可测得弹簧钢 60Si2Mn 脱碳表层在喷丸前后的屈服强度.实验结果表明,喷丸试样的表面屈服强度比未喷丸试样的表面屈服强度有了很大的提高,这说明了喷丸可以改善脱碳零件的性能.关键词:弹簧钢;脱碳;喷丸;应力 f 屈服强度中圈分类号:TGI41 文献标识码 :AStressanalysisofdecarburizedsurfaceofspringsteel60Si2MnUUFeng-zhi(SchoolofSeienee.LiaoningUniversityofPetroleumChemicalTechnology.Fushun113001.China)Abstrac

3、t:Thespringsteel60Si2Mnwillbedeearburizedinheatingprocess,anddeearburizationwillre_ducetheperformanceofthemachineparts.Thegeneralmethodofshotpeeningimprovesthefatigueperformanceofthedecarburizedmachineparts,andtheresidualstressproducedbyshotpeeningisplanar.Forthesakeofdiscussionoftheinfluenceofshotp

4、eeningonthedecarburizedsurfacelayer,theX-raystressanalysistechniqueandMiseseffectivestressmethodcanbeusedtomeasuretheyieldstrengthofthedecarburizedlayerofthespringsteel60Si2Mnbeforeandaftershotpeening.Theresultsindicatedthattheyieldstrengthofshotpeeningsurfaceswasgreatlyimprovedwhencomparedwiththato

5、funpeenedsur-faces.Thisfactpointedoutthattheshotpeeningcanimprovetheperformanceofthemachineparts.Keywords:springsteel;decarburization:shotpeening;stress;yieldstrength弹簧钢制作的零件,在热处理过程中会严重脱碳,从而使零件的使用性能,特别是疲劳性能大幅度下降1.采用喷丸或滚压等表面处理方法,可使脱碳零件的疲劳性能大幅度提高2.为了表征脱碳层的软化程度,常用的方法是测量显微硬度和 X 射线衍射半高宽.但是,显微硬度与材料的弹性,塑性,

6、加工硬化指数,强度和韧性等一系列物理量有关,是一个综合指标3, 并且还受到残余应力的影响.X 射线衍射线的半高宽代表材料的结构状态,只能间接反映材料的力学特性.金属材料的疲劳损伤与滑移形变有密切的联系4, 因此应用应力分析技术测得的表面屈服强度,有助于研究脱碳和喷丸对疲劳强度的影响机制.收稿日期:2005-08-09基金项目;国家自然科学基金(59371037)作者简介:刘凤智(1961 一).男,辽宁沈阳人.硬士,副教授.1 实验方法试样取自 6OSi2Mn 弹簧钢,其化学成分(质量分数)为 :(C) 为 0.61,w(Si)为 1.89,w(Mn)为 0.73,锄(P)为 0.02,训(S

7、)为 0.00879,6.淬火处理(880 ,油淬), 回火工艺在箱式炉进行(470,保温 1h).金相观察结果表明,回火后的表面严重脱碳(脱碳层的厚度约为 60mm),带脱碳层表面的硬度为 HRC38,由 BuehlerMicromet 数字式显微硬度计测定.喷丸在气动式喷丸机上进行,所用钢丸直径为 1.O0mm,空气压力为 0.4MPa,Almen(种市购的测试喷丸强度的试片)强度为 0.58.采用单轴拉伸加载方式进行逐级加载.各级载荷下的应变值.,由电阻应变仪读出;表面纵向应力-和横向应力 cr2 在 MSF-2903X 射线应力测定仪上进行.第 2 期刘凤智:弹簧钢 60Si2Mn 脱

8、碳表面的应力分析2 实验结果与分析带有脱碳层未喷丸试样表面的应力与外载应变曲线如图 1 所示.对于喷丸试样表面的应力和外载应变( 10)关系如图 2 所示.由图 1 和图 2 可以直观地看出,未喷丸试样表面的纵向条件屈服应力,明显要高于喷丸试样表面的纵向条件屈服应力.但由于喷丸试样表面有很大的横向残余应力(其表面的残余压应力为 653MPa),不考虑横向残余应力的影响是不可能得出正确的结论的.700三 400bloo200图 1 带有脱碳层未喷丸试样表面的应变岛(10)与纵向应力和横向应力的关系曲线Fig.1Curveof(10)andlongitudinalandtrans-versestr

9、essesforunpeeneddecarburizedsurface图 2 带有脱碳屡喷丸试样表面的应变岛(10-3)与纵向应力和横向应力的关系曲线Fig.2Curveof 岛( 10 一.)andlongitudinalandtransverseshofshot-peeneddecarburizedsurface从图 1 和图 2 中可以看出,二者都具有弹性段和塑性段.在弹性段,和之问成线性关系;而在塑性区,和的关系偏离线性规律.金属材料表面一般具有二维残余应力,其两个主应力方向在表面的指向,可以利用 X 射线应力分析技术加以确定.设平板试样的纵向和横向分别为表面残余应力的两个主方向.下面

10、以 Mises 等效应力作为工具来研究涉及横向应力对表面强化的影响 l_5.定义表面的等效应力为一,偈=孺(1)根据虎克定律,可将表面等效弹性应变写成:(2)式中:E 和分别为杨氏模量和泊松比.可以证明,在曲线段,由每两相邻测量点的 61,.的测量值,可求出由外载应变增量.所对应的表面等效塑性应变增量Ep,进一步,可求出等效塑性应变增量 ED.对于弹性段的等效单轴应变:一(3).对于塑性形变阶段的等效单轴应变:一.+ p(4)在以和为坐标轴的直角坐标系中,材料表面的等效应力一等效应变曲线就可与常规单轴拉伸试验得到的应力一应变曲线相比较,由此可得到试样表面的条件屈服强度和加工硬化指数.图 3 未

11、喷丸脱碳表面等效应力与等效应变(10 一.)的关系曲线Fig.3Relationshipofeffectivestressofeffectiveuniaxialstrin(10)ofunpeeneddecarburizedsurface图 4 喷丸脱碳表面等效应力与等效应变(10)的喷丸表面等效应力与等效应变(10)关系,在弹性段等效应力随外载应变有先增大随后又减小的现象.现由等效应力说明如下.由式(1)可以导出 :由一(5)()().一?3O-兰州理工大学第 32 卷在弹性加载段,横向应力 cr2 基本保持不变,可假设为常量,则和的关系是以为横坐标,为纵坐标的直角坐标系中的双曲线,该双曲线开

12、口向上,准线为=02/2.因此,试样在受载过程中 ,当其表面的纵向应力.小于横向应力 cr2 的一半时,随着的增大,等效应力由大逐渐变小,而当超过 a2/2 后,随着的进一步增大,等效应力也随之增大,当西=02/2 时,d 具有最小值.图 3 和图 4 中的点划线分别为求取残留塑性形变量为 0.2 的条件屈服点的作图线.其结果表明,喷丸试样的条件屈服强度(868MPa)远大于未喷丸试样的条件屈服强度(674MPa).由于表面屈服强度直接反映材料抵抗塑性形变的能力,它与疲劳性能有更密切的联系.脱碳零件的疲劳裂纹一般萌生于表面,因此,使最外表层的屈服强度得到提高是喷丸改善脱碳零件疲劳性能的一个重要

13、因素.由图 4 可以看出,喷丸试样的外表面处在材料弹性极限的边缘上,由于这里碳的质量分数最低,即使经过喷丸处理,表面屈服强度仍然较低.由于喷丸试样表面存在饱和残余压应力,可以认定,在整体弹性恢复过程中,试样表面发生了压缩塑性形变,因此,在外加拉伸载荷的作用下,包申格效应可使材料在低于原始等效应力的载荷水平下就进入塑性区.3 结论1)喷丸使处于最软状态的脱碳表面的屈服强度得到提高,这种强化效应是喷丸提高脱碳零件疲劳强度的重要原因.2)喷丸在脱碳层引入了残余压应力,这种残余压应力是导致材料强化的另一个重要原因.3)残余压应力使等效应力达到了材料的弹性极限,这说明通过引入残余压应力,来改善脱碳零件的

14、性能有一个限度.参考文献:13WOHLFATPIERH.Proe3rdimconfOnshotpermingM3.OberusellDGMInformationsGesellschaft,1987.562565.2KLOOSKH,KAISER13.Proe.1stint.conf.O11shotpenning阅.Oxford;PergamonPress,1981.359360.33金属机械性能编写组.金属机械性能 EM3.北京; 机械工业出版社,182.23-24.43SURESHs 材料的疲劳M.王中光等译.北京:国防工业出版社,1993.9394.53 李家宝 ,覃明,刘风智.等.弹簧钢 60Si2Mn 脱碳层软化的表征与研究口.金属,2000(3);287290.63 李家宝 .利用 x 射线衍射方法确定金属工艺表面的应力应变关系J.材料研究.1998,12(3):287-288.