课题所属研究领域 - 大连理工大学材料科学与工程学院

1、大连理工大学材料科学与工程学院硕士研究生学位论文选题报告姓 名：庞慧芳学 号：21105032 专 业：材料加工工程 论文题目：核泵转子材料应力腐蚀及表面处理对其疲劳性能影响 指导教师：周文龙 教授 填表日期：2012 年 10月 31日一：文献综述（1、课题所属研究领域；2、课题的理论意义和应用价值；3、国内外研究概况及发展趋势；4、本论文主要研究目标；5、参考文献）核泵转子材料表面处理对其疲劳性能影响1.1课题所属研究领域以常用压缩机转子材料，如KMN、X12Cr13、FV520(B)、17-4PH为研究对象，研究表面处理（喷丸、激光处理）对转子材料微裂纹发展及疲劳寿命的影响。系统开展在含

2、H2S、SO2、Cl-离子及H2等气氛中材料的应力腐蚀行为研究；探索转子材料选材-表面处理-环境气氛参数与材料应力腐蚀行为及材料疲劳性能之间的规律。本文选用压缩机转子材料KMN，牌号为15Cr2Mo1为研究对象。KMN属于低合金高强钢，与其他低合金高强钢一样，KMN具备以下性能优点：1） 足够的强度与韧度。在工程结构件中采用低合金高强度钢的主要目的是为了能承受较大的载荷和减轻整个金属构件。因此，首先要求刚才有尽可能高的屈服强度。由于工程结构钢一般在-50100范围内使用，因此工程结构钢还具有较高的低温韧度。在其他力学性能方面，例如桥梁、船舶等，他们会受到像风力或海浪冲击等引起的交变载荷。因此，

3、工程结构钢还具有较高的疲劳强度。2） 良好的焊接性能和成形工艺性。焊接时构成金属结构的常用方法。金属结构要求焊缝余母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝的热影响区有较高的韧度，没有焊接裂纹，即要求有良好的焊接性。另外，工程结构件成形时，常需要剧烈的变形，因此还要求有良好的冷热加工性能吗和成形性等工艺性能。3） 良好的耐腐蚀性。这里主要指在割裂大气候条件下的抗腐蚀能力。在机械、铁路、化工、冶金、航空航天等工程中，有许多带有短裂纹的构件或零件。这些短裂纹，有的是存在于材料中的固有缺陷，有的是在使用过程中出现的损伤，它们在许多情况下是难以避免的。因此，设法提高带短裂纹构件或零部件的断裂力学性能，在工

4、程上是很有意义的 1。裂纹含有很广泛的意义，除了物体中因开裂而产生的裂纹，还包括材料冶炼过程中的夹渣、气孔，加工过程中引起的刀痕、刻槽，焊接时产生的裂缝、未焊透、气孔、咬边、过烧、夹杂物，铸件中的缩孔、疏松以及结构在不同环境中使用时产生的腐蚀裂纹和疲劳裂纹等。在断裂力学中，常把这些缺陷都简化为裂纹，统称为“裂纹”。由裂纹的定义可知，裂纹的尺寸、形状、产生等均很复杂，为了研究的方便，一般有以下几种分类方法2。按裂纹的几何特征，可把裂纹分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹。如果一个裂纹贯穿整个构件厚度，则称为穿透裂纹，也称为贯穿裂纹。有些条件下，虽然裂纹并没有穿透构件厚度，仅在构件的一面出现裂纹，但若

5、其深度已达到构件厚度一半以上时，该裂纹也常按穿透裂纹处理。构件中的穿透裂纹常当作理想尖裂纹处理，即裂纹尖端的曲率半径趋近于零，这种简化偏于保守，但在实际应用中比较安全，所以工程中易于接受。若裂纹位于构件的表面或裂纹的深度与构件的厚度相比较小，则称为表面裂纹。在工程中表面裂纹常简化为半椭圆形裂纹。裂纹处于构件内部，在表面上看不到开裂的痕迹，这种裂纹称为深埋裂纹。计算时，常简化为椭圆片状或圆片状裂纹。按裂纹的形状特征，可分为圆形、椭圆形、表面半圆形、表面半椭圆形以及贯穿直裂纹。按裂纹的产生特征，可分为疲劳裂纹、温差裂纹、焊接裂纹、腐蚀裂纹等。按裂纹的力学特征，分为三种类型，即、型。型裂纹即为张开型

6、裂纹。拉应力垂直于裂纹扩展面，裂纹上下表面沿作用力的方向张开，裂纹沿裂纹面往前扩展。工程中属于这类裂纹的，例如板中有一穿透裂纹，其方向与板所受拉应力方向垂直，或压力容器中的纵向裂纹等。材料发生疲劳破坏，要经历裂纹萌生、裂纹稳定扩展和断裂三个阶段，完整的疲劳分析即要研究裂纹的萌生，也要研究裂纹的扩展。了解疲劳裂纹的扩展规律是进行疲劳裂纹研究的基础环节。疲劳裂纹在扩展过程中分为3个阶段: 近门槛扩展阶段、高速扩展阶段（Paris区） 和最终断裂阶段。在近门槛扩展阶段，疲劳裂纹的扩展速率很小,疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围K的降低而迅速下降,直至da/dN0,与此对应的K值称为疲劳裂纹扩展门槛

7、值, 记为K3；在Paris区, 疲劳裂纹扩展速率可以用Paris公式来定量的进行描述。4其中，C和m是试验确定的常数。在高速扩展区, 随着K的提高, 裂纹扩展速率升高, 当疲劳循环的最大应力强度因子Kmax 接近材料的KIC时, 裂纹扩展速率急剧增加, 最终导致构件断裂。疲劳裂纹三个重要的参量：疲劳裂纹扩展速率，裂纹扩展门槛值，疲劳裂纹寿命。应力腐蚀最初的研究工作主要是从金属学的角度来解释应力腐蚀的原因, 后来则发展成从电化学角度来研究应力腐蚀的机理。随着力学特别是断裂力学的发展, 用力学的方法来研究应力腐蚀越来越广泛了。5在用力学方法研究应力腐蚀时, 根据试样的形式可分为: 光滑试样、缺口

8、试样和预裂纹试样。光滑试样是在传统力学试验中常用的试样, 也是SCC试验中用得最多的试样类型。缺口试样是模拟金属材料中的宏观裂纹和各种加工缺口效应以考察材料的应力腐蚀敏感性的试样。预裂纹试样是预开机械缺口并经疲劳处理产生裂纹的试样。根据加载方式的不同, 力学方法研究应力腐蚀可分为恒变形(恒位移)法、恒载荷法和慢应变速率法6。表面强化主要是为了在表层引入压应力和改善表层的组织结构，以使零件表面得以强化、硬化和韧化。表面强化工艺方法有很多，如热处理强化（如淬火、调质等）、化学热处理强化7（如渗碳、渗氮等）、形变强化（如喷丸、滚压、激光冲击、超声冲击等），以及复合强化8（如热处理+形变强化、化学热处

9、理+形变强化等）。为了提高KMN钢的疲劳性能，使其能更广泛的得到应用，本研究采用了喷丸强化和激光处理的表面处理方法。激光表面处理采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。它在材料加工中具有许多优点是其他表面处理技术所难以比拟的： 1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小； 3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线； 4)激光表面改性的效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材； 6)

10、由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全设施。表面处理表面机械硬化处理表面处理电火花表面处理表面涂装（1） 机械涂装：刷、喷、浸、淋（2） 化学涂装：化学气相沉淀等（3） 热涂法：（4） 电涂装及化学涂装：电镀等（5） 镀覆 （6） 油漆涂装(1) 表面热处理：淬火、渗碳、渗氮等(2) 化学处理：化学转化膜(3) 清洁处理：机械清理、化学清洗、超声波清洗、激光清洗等。(1)电火花合金化 (2)微弧氧化(3)电火花沉积 (4)电火花放电硬化(5) 激光表面处理(6)等离子喷涂(7)电子束表面处理冷作硬化、滚压法、喷丸硬化图1表面处理工艺1.2 课题的理论意义和应用价值应力腐

11、蚀是指由应力和腐蚀联合作用所产生的材料破坏过程。应力腐蚀破坏发生之前没有大的塑性变形, 是一种滞后的低应力脆性破坏, 在裂纹扩展阶段, 其扩展速率比均匀腐蚀要快106倍。因此,应力腐蚀极易导致无先兆的灾难性事故。许多调查也表明, 在各种事故中, 应力腐蚀引发的事故占有很高的比例9。因此, 研究应力腐蚀开裂对确保安全生产、提高生产效率具有重要意义。喷丸强化是公认的提高金属零件的抗疲劳性能和微动疲劳抗力的有效方法。喷丸强化是利用高速喷射的细小弹丸撞击受喷工件的表面，使合金材料表层产生弹、塑性变形，呈现理想的组织结构和残余应力分布，从而提高材料的抗疲劳强度、微动疲劳抗力、损伤容限的一种表面处理方法1

12、0。喷丸强化可在工件表面上造成0.050.8 mm深的应变强化层2，材料表面的应变强化层发生几种不同于基体的变化：1）循环硬化/软化现象；喷丸引起表面层内的应变为循环应变，它将导致表面应变层内的材料发生循环硬化或软化；2）表层组织结构亚晶粒细化，位错密度增高，产生相变；3）表面层产生很高的宏观残余压应力；4）表层内微观应力增高。由于表面层内的金属产生塑性形变，引起晶体晶格产生最大限度的畸变，由此亚晶粒之间产生了很高的微观应力；5）表面粗糙度（即应力集中）的变化11。激光表面处理的过程是将激光束对零件表面扫描，其光能量被零件表面吸收并迅速达到极高温度,使金属表层产生相变或熔化,随着光束的移动,零

13、件表面热量迅速地向内部传递形成极高的冷却速度从而使零件表面硬化。激光表面处理技术具有如下主要特点：1）激光熔化后形成的组织，其化学均匀性很高，而且晶粒非常细小，因而强化了合金，结果使耐磨性大大提高；2）激光热处理改善了合金的机械性能，所以显著提高工具的使用寿命；3）在激光热处理层中，因马氏体转变而得到的残余压应力，提高了疲劳强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能；4）与常规热处理相比，激光热处理可以在不牺牲韧性的情况下，获得高硬度和高强度。 本研究主要是寻求喷丸和激光处理强化后在表面层内所引起的上述应力状态及组织结构上的变化，是从微观理论上探索零件抗疲劳强度提高和裂纹形貌变化的主要原因并确定最佳的工艺

14、参数，对比分析干喷丸、湿喷丸、激光表面处理三种工艺哪种更能提高KMN合金的疲劳强度和改善其裂纹状况，以便为以后的表面裂纹的研究和发展做技术支撑。1.3 国内外研究概况及发展趋势应力腐蚀开裂最初出现在19世纪后期,当时,人们发现黄铜弹壳在存储过程中发生开裂,由于影响军事行动,两次世界大战之间,人们对此做了大量的工作。19世纪末期出现铆接的蒸汽锅炉由于碱脆而发生爆炸及高强度钢的氢脆现象。20年代,有报道高强度铝合金在海水中的应力腐蚀问题。20世纪30年代,奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题又引起了人们的关注。直到目前,由于金属材料广泛地应用在航空、海洋、石油、化工等国民经济的各个部门,应力腐蚀开裂又极

15、具破坏性,开裂前没有明显的预兆,它的破坏性和危害性是最大的,所以,金属在不同介质中的应力腐蚀开裂一直得到人们的重视。12喷丸强化技术1316是用来提高金属零构件疲劳断裂和应力腐蚀（氢脆）断裂抗力的并为工业生产应用证明了的一种效果卓著的表面强化工艺。它产生于19世纪20年代，并最先应用于汽车工业，但随后一段时间，其发展速度十分缓慢。60年代之后，航空工业的蓬勃发展又赋予喷丸强化这个老工艺以新的生命力。由于航空结构件对材料的特殊要求，各种高强度材料的相继使用，随之而来的是由飞机结构件的疲劳失效所带来的灾难性事故连绵出现，据粗略的统计，飞机结构件的疲劳失效约占整个失效数目的80% 以上。因此，如何有

16、效地提高飞机结构件的疲劳断裂抗力就成为关系到航空工业能否向前发展的函待解决的关键性问题。此时，将喷丸强化工艺应用于飞机和发动机的一切关键承力件，其强化效果之显著、 成本之低廉， 使得所有其它表面强化工艺都相形见细。至此，喷丸强化工艺被给予充分的肯定。随着此工艺技术在宇航工业界的迅速发展，逐渐引起其它工业部门的普遍关注，并以其卓著的强化效果迅速获得了推广应用。70年代末以来,喷丸强化又以其操作简便、成本低廉、适应性广、特别是能低等特点，一跃而成为各种表面强化工艺中的皎皎者。我国喷丸强化技术从19世纪50年代开始兴起，经过几十年的发展，我国的喷丸设备自动化程度，喷丸件质量还和国外有一定的差距。上世

17、纪发展的喷丸技术主要集中在干喷丸强化方面，而湿喷丸1416表面强化是近年来发展起来的一种新的喷丸技术，与干喷丸相比，湿喷丸将喷丸介质置于液体中，使零件表面形成一层液膜，起到减少摩擦和表面冷却的效果；弹丸可以随水回收，避免粉尘污染，还能提高弹丸和喷嘴的耐用性。弹丸作为抛喷丸工艺中的介质17，受抛喷丸设备加速与工件相碰撞，完成对工件表面的清理、强化、加工以及成形等工序。目前国内多采用白口铸铁弹丸，由于其组成粗大、材质脆、缺陷多（裂纹、气孔、夹渣等），在抛射过程中很容易破碎，因此消耗很大。玻璃弹丸是在20世纪70年代发展起来的，玻璃弹丸的硬度>48HRC，从硬度上而言适宜作为喷丸介质对铝合金和

18、钛合金进行处理，但其破碎率较高，因此发展了陶瓷弹丸18, 19来部分取代玻璃弹丸，由于陶瓷丸具有环保性好、破碎率低、硬化高和变形小等优异特性，随着产品质量要求的不断提升和人们认识的逐步提高，陶瓷丸在航空航天工业和其他工业中的应用将越来越广。我国正在建设能源节约、环保型的和谐社会，陶瓷丸在航空航天工业、机械工业和其他业中的推广应用将提高我们的生产效率并减少污染，是一种值得大力推广的新型喷丸介质。喷丸是一项具有无限发展前途和广阔应用空间的表面加工技术。最近几年喷丸领域出现了微粒冲击、微粒镶嵌镀膜、高能和超声喷丸、激光喷丸20等新技术。研究表明 ，它们在增加表面光洁性、降低摩擦系数、提高耐磨能力、延

19、长使用寿命、简化氮化过程等21方面表现出优异的特性。随着计算机技术的发展 ，利用更加微细的喷丸粒子可实现开孔、开槽、刻蚀等高精度和立体式的微细加工。今天，喷丸处理技术不断突破限制于机械行业的应用范围，在医学抗菌、物材料处理、固体润滑、光催化等领域也显示出良好的应用前景。然而，目前对喷丸处理的研究较多地集中于个案工艺 ，以经验方法为主，缺乏对其过程和效果的系统理论分析和科学指导。激光加工技术的研究始于20世纪60年代，但到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用，并在近十年内得到迅速的发展。激光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力

20、学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。围绕激光加工的特点，人们相继研究并开发出一些具有工业应用前景的激光表面处理技术，大体分为激光表面硬化、激光表面熔敷、激光表面合金化、激光冲击硬化和激光非晶化22。激光表面硬化是激光处理中应甩最普遍的一种,目前国内外许多单位对各种钢材和铸铁进行了激光表面硬化的研究,结果证明激光表面硬化处理可以大大地提高零件的耐磨性和抗疲劳强度,成为世界各国普遍重视的材料表面改性技术之一。它是一项很有发展前途的表面热处理工艺,最近又报导了一些关于利用激光合金化,激光涂覆、冲击硬化,激光上釉等提高零件耐磨性,耐腐蚀性和使用寿命的激光表面

21、处理新技术。随着激光表面处理知识的不断积累,激光处理实用化的迅速扩大的时候也很快就会到来2325。1.4 本论文主要研究目标本论文评估“喷丸、激光处理”两种强化工艺方法；制定最佳湿喷丸路径和工艺参数，以最大限度的提高KMN合金钢带有表面裂纹的试件的抗疲劳性能，并对湿喷丸强化机理做理论分析，找出残余应力、表面硬度、粗糙度三者对疲劳强度的提高的影响程度。系统开展在含H2S、SO2、Cl-离子及H2等气氛中材料的应力腐蚀行为研究，探索转子材料选材-表面处理-环境气氛参数与材料应力腐蚀行为及材料疲劳性能之间的规律。参考文献1 余传禧等. 采用喷丸处理改善结构钢的短裂纹断裂性能. 兰州铁道学院学报A.

22、1995(1): 31-39.2 高玉魁. 喷丸强化对TC4钛合金组织结构的影响J. 稀有金属材料与工程. 2010(9): 1536-1539.3 王仁智. 喷丸强化技术在我国的发展J. 材料工程. 1989(1): 4-7.4 徐昇厚. 国外喷丸强化工艺技术应用概况J. 材料开发与应用. 1988(3): 21-25. 5 董月香. 几种应力腐蚀试验方法的比较J. 大型铸锻件, 2010(5): 45-47. 6 GB15970, 金属和合金的腐蚀, 应力腐蚀试验S.7 Tsuji N, Tanaka S, Takasugi T. Effects of combined plasma-ca

23、rburizing and shot-peening on fatigue and wear properties of Ti-6Al-4V alloyJ. Surface and Coatings Technology. 2009, 203(10-11): 1400-1405.8 Investigation on the residual stress and microstructure of (TiB + TiC)/Ti6Al4Vcomposite after shot peeningJ. 2011.9宋光雄,晓庆, 常炎衍,等.压力设备腐蚀失效案例统计分析 J.材料工程.2004(2)

24、:6-9.10 张晓化，刘道新. 电火花表面强化与喷丸复合处理对Ti811合金高温微动疲劳性能的影响J. 材料工程. 2006(9): 31-35.11 闫五柱，章刚，温世峰，等. 表面粗糙度对喷丸残余应力场的影响J. 材料科学与工艺. 2010(4): 523-527.12铝合金应力腐蚀开裂的研究进展13 吴寿喜，王德志，卢军，等. 中国抛喷丸技术与装备现状分析J. 中国铸造装备与技术. 2009(6): 6-10.14 Balan Kumar. 喷丸强化技术的应用J. 金属加工(热加工). 2008(19): 33.15 冯宝香，杨冠军，毛小南，等. 钛及钛合金喷丸强化研究进展J. 钛工业

25、进展. 2008(3): 1-5.16 Tsuji N, Tanaka S, Takasugi T. Effects of combined plasma-carburizing and shot-peening on fatigue and wear properties of Ti-6Al-4V alloyJ. Surface and Coatings Technology. 2009, 203(10-11): 1400-1405.17 赵立海，来庆秀. 液体喷丸效果的影响因素及应用J. 汽轮机技术. 2004(2): 158-160.18 吴寿喜，张伟，董钢，等. 抛喷丸技术用弹丸J.

26、中国铸造装备与技术. 2009(3): 7-10.19 高玉魁. 陶瓷丸在喷丸强化中的发展与应用J. 机械工人(热加工). 2008(Z1): 59-60.20 钦征骑. 金属表面强化处理用复合锆质陶瓷喷丸的研制及应用J. 江苏陶瓷. 2010(5): 5-8.21 Zhang X C, Zhang Y K, Lu J Z, et al. Improvement of fatigue life of Ti-6Al-4V alloy by laser shock peeningJ. Materials Science and Engineering: A. 2010, 527(15): 3411

27、-3415.22 Tsuji N, Tanaka S, Takasugi T. Effects of combined plasma-carburizing and shot-peening on fatigue and wear properties of Ti-6Al-4V alloyJ. Surface and Coatings Technology. 2009, 203(10-11): 1400-1405.23 Costa M Y P, Venditti M L R, Cioffi M O H, et al. Fatigue behavior of PVD coated Ti-6Al-

28、4V alloyZ. 2011: 33, 759-765.24 Investigation on the residual stress and microstructure of (TiB + TiC)/Ti6Al4Vcomposite after shot peeningJ. 2011.25 张晓化，刘道新. 电火花表面强化与喷丸复合处理对Ti811合金高温微动疲劳性能的影响J. 材料工程. 2006(9): 31-35.二、研究内容和方法（1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平；2、采用的材料分析方法；3、技术路线和研究方案；4、研究进度计划）2.1 选题的学术思想、特色和预期达

29、到的成果和水平喷丸强化作为一种传统的材料表面强化技术，可以改变材料表面的应力状态，形成合理的压应力分布，另外可以使组织细化，位错密度增加，提高材料的疲劳强度和抗应力腐蚀能力及微动疲劳抗力,已在很多金属如钢铁、铝合金等有广泛采用。对金属材料的喷丸强化已有很多人研究，但大多基于干喷丸强化，干喷丸虽然能增加材料表面的硬度和形成压应力层，然而却也大大增加了表面粗糙度，影响表面残余压应力的合理分布，从而影响对疲劳性能的提高效果。而湿喷丸是近年来发展起来的一种新的喷丸技术，与干喷丸相比，湿喷丸将喷丸介质置于液体中，使零件表面形成一层液膜，起到减少摩擦和表面冷却的效果；弹丸可以随水回收，避免粉尘污染，还能提高弹丸和喷嘴的耐用性。赵立海等人的研究是用高压油和铸钢丸混合成磨液相对成本较高，本研究是