强化型钢丝切丸的失效原理

用 ERVIN寿命试验机模拟 了喷丸强化 用铜丝切 丸的冲击磨损过程.得到 了磨损量与 循环次数 的关 系曲线 ，用扫描仪记录 了铜丝切丸磨损形貌的变化过程，用扫描 电子显微镜观察 了铜 丝切 丸的磨损形貌。结果表明:在 冲击磨损试验过程 中，钢丝切 丸的形貌逐渐 由圆柱状 变为类球 状 。最终 变为较小的丸粒 ;钢丝切 丸的冲击磨损失效过程可分为钝化阶段 、稳定磨损阶段 、剧烈磨损 阶段 。这三个阶段的的主要磨损失效机理分别为黏着磨损 、表层剥落和大块断裂。

0引言

钢丝切丸是喷丸强化过程中使用的一种金属磨 料 。它是 由冷拉钢丝切割而成的长径 比接近于 1的 圆柱状颗粒或棱边钝化状颗粒 ，它的耐冲击性强.不 易破碎 ，具有较宽 的硬度和粒径范 围[1 。在喷 丸 强 化 过 程 中 ，钢 丝 切 丸 以 50~ 90 m ·s 的 速 度 冲 击 被强化零部件，使其表面产生形变强化 ，同时在其表 面引入一定程度的残余压应力 ，残余压应力能有效阻碍材料 中裂纹的形 核和扩展，从而改善承受 交变 载荷作用的零部件的疲劳性能。喷丸强化 钢丝}刀 丸在使用前必须进行钝化处理 ，去除网柱状切 丸的 锐边 ，以防在强化过程中划伤零部件表面.使表面形 成潜在的裂纹 源.降低 强化效 果。JB/T 8354.1— 2013《抛喷丸清理及强化用金属磨料 第 1部分:钢 丝切丸》及 VDFI8001《Peeningmedia，cutwire shot;Nomenclature，quality requirements. 1esl》 标 准 中 规 定 ，钢 丝 切 丸 的 钝 化 程 度 分 为 G1、G2、G3 三个等级 。目前 ，周内外对钢丝切丸的研 究多是基 于钢丝 切 丸抛 喷 丸清理 或强 化后零 部 件表 面性能 及疲劳性能的研究 ，而对钢丝切丸 自身特性 的研究还很少 ，至今仍未有系统捕述抛喷丸清理或强化用钢丝切丸冲击磨损失效过程的文献报道 。为此 ，作者 采用 SAEJ445《Metalieshotandgritmechanical testing)标准 中 的面积 法 ，研究 了喷丸 强化 用钢 丝切 丸的冲击磨损失效机理 ，期望能为钢丝切 丸的生产与应用提供一定的理论指导 。

1 试样制备与试验方法

试验材料为奥力斯特生产的粒径 为0.6mm的钢丝切丸，该钢丝切丸的材料为正火 态热轧65优质碳素钢.其原始组织为珠光体和铁素 体.晶粒呈等轴状 ，不存在任何冷加T痕迹 。钢丝切 丸的生产工序为:机械去壳一磷化一 干燥一 拉丝一 切割 。试验用钢丝切丸在现场生产线上随机选取 。

根 据 GB/T 19816.3— 20O5(<涂 覆 涂 料 前 钢 材 表面处理喷射清理用金属磨料的试验方法 第 3部 分 :硬 度 的 测 定 》，采 用 M H一5I 型 显 微 硬 度 计 测 得 钢 丝 切 丸 的 硬 度 为 489.6 H V /48.8 H R 。 采 用 j 元素分析仪和碳硫 分析仪测得钢丝切丸 的化学 成 分 ( 质 量 分 数 / ) 为 0 . 6 5 C . 0 . 2 3 S i， 0 . 5 8 M n . 0.006S，0.013P;采 用 密 度 瓶 测 得 钢 丝 切 丸 的 密 度 为 7.8g·CEIl 。

将 50g钢丝切丸放入 ERVIN寿命试验机中进行冲击磨损试验。用以模拟喷丸强化用钢丝切丸的磨 损失效过程。钢丝切丸以61rn·s 的速度反复冲击 ERVIN寿命试验机中的靶材，循环一定次数后取出 钢 丝 切 丸 .用 孔 径 为 0.3 m m 的 筛 子 筛 分 以 去 除 碎 屑 . 并 记 录 质 量 损 失 .即 磨 损 量 ;然 后 用 H PSJ8250 型 扫 描仪 记录钢丝切 丸的形貌变化 过程 ;再将试 样 重新装 入试 验机 中并重复上述步骤 。直至筛上 物质 的质量 不 足原始质量的5 (2.5g)时停止试验。

采 用 JSM 一6700F 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM )观 察不同循环次数后钢丝切丸的磨损形貌 。

2 试验结果与讨论

2.1 磨 损 形 貌
随着冲击磨损试验循 环次数增加，钢丝切丸的磨损量逐渐累积，循环 3000次后的累积磨损量为 48.4g(筛 上 物 质 的 质 量 小 于 2.5g)，试 验 停 止 。 南 图 1 可 以 看 出 .循 环 75 次 后 ，圆 柱 状 钢 丝 切 丸 的 切 割锐边 已明显钝化;随着循环次数增加 ，钢丝切丸逐渐 由 圆 柱 状 变 为 粒 度 均 匀 的 类 球 状 ， 直 至 循 环 l 6 0 0 次后，钢丝切丸开始大量断裂，粒径出现明显的不均 匀;循环3000次后.钢丝切丸几乎全部破碎为较小 的畸形丸粒。

2.2 磨损曲线及磨损机理

根据图 2所示的冲击磨损试验循环次数与磨损 量的关系曲线 (磨损曲线 )，可将钢丝切丸的冲击磨 损失效过程分为三个阶段 :钝化阶段 、稳定磨损阶段 和剧烈磨损阶段。

前 75次循环为钝化阶段 .在此 阶段内，圆柱状 钢丝切丸的切割棱边首先接 触靶材 ，由于接触面积 小 。单位面积上的法向载荷很大 ，接触应力远大于接 触 点 的 屈 服 强 度 ，导 致 钢 丝 切 丸 的 棱 边 发 生 强 烈 的 局部塑性 变形。摩擦副接触表面既无润滑也无氧化 膜.局部塑性变形会使摩擦 副接 触面上 的原子彼此 十分接近 ，产生强烈的黏着，即产生原子间的键合作

用一.随后在继续相对滑动时，黏着点被剪切并脱落 下来形成粉末状磨屑，构成 了钢丝切丸的黏着磨损 过 程 ，黏 着 磨 损 形 貌 如 图 3 所 示 。 在 钝 化 阶 段 ，钢 丝 切丸与靶材之间的实际接触 面积逐渐增大 .局部应 力集中程度降低 ，同时钢丝切丸表面产生硬化 ，表面 抗摩擦切削能力增 大，故该阶段的磨损速率呈逐渐 减小的趋势 。随着循环次数增加，圆柱状钢丝切丸 逐 渐 磨 损 为 类 球 状 。 经 过 75次 循 环 后 ，钢 丝 切 丸 的 钝 化 程 度 符 合 标 准 中 规 定 的 ( 2 等 级 。

75~ 1600次 循 环 为 稳 定 磨 损 阶 段 ，此 阶 段 钢 丝切丸已钝化成多 面球形 ，其表面 由许 多小平面组 成 ，如 图 4 所 示 ，磨 损 失 效 过 程 符 合 Suh 的 剥 层 理论 .主要磨损失效机制 为典型的反复塑性 变形机制 引 起 的 表 层 剥 落 ，如 图 5 所 示 。 在 钝 化 阶 段 。钢 丝 切丸表面已发生明显的塑性 变形 ，多次循环冲击使表 面 层 的 位 错 缠 结 、交 割 .产 生 加 一I硬 化 ，表 面 抗 摩 擦 切削性能有所提高。但表面的强度 、硬度升高 .塑性 、 韧性降低，这为裂纹的萌生和扩展提供了组织基础。 多面体球 的小平 面交界处通常存在残余拉应力 ， 且该处的局部凸起处极 易产生应力集中，随着 冲击 的进行 。表面摩擦切应力反复作用，直至摩擦切应 力 超过表面抗剪薄弱区域 (即小平面交界处)的抗剪强 度 时 ，表 面 开 始 萌 生 裂 纹 。 ~LJ’I-.钢 丝 切 丸 表 层 抗 剪 切屈服强度较低的局部 区域 ，如硬化过渡区.容易发 生塑性变形 ，同时伴有变形强 化.使局部 的塑性变 差，当外力高于这些 区域的抗剪强度时，该处也会产 生裂纹 .。裂纹一旦形核 .就会在摩擦切应 力的作 用下迅速扩展。与表面裂纹相互贯通 。使表层出现翘层。该翘层在后续多次冲击过程中反复弯折而断裂 脱落 ，从而形成表层剥落。

表层剥落后，露裸 来的新表面继续下一个磨 损循环 .重复经历黏着磨损、表层剥落。在稳定磨损 阶段 ，由于钢丝切丸的形状比较稳定。几乎保持着类 球状 ，且粒径 的变 化也不大 ，因此磨损速率 比较 稳 定。磨损曲线接近于直线 .其斜率就是磨损速 率.而且该阶段钢丝切丸表面会产生碎片状的磨屑。 1600~3000次循环为剧烈磨损 阶段 。陔阶段 的磨损速率先增大后逐渐减小。钢丝切丸在循环一定次数后 .它的磨损失效机制不再只是黏着皤损和 表层剥落 。而是开始m现大块断 裂。经过多次反复 冲击 ，损伤逐步累积 ，钢丝切丸的表层 和内部产生 了 大 量 裂 纹 ，由 于 冲 击 载 荷 的 作 用 .表 面 裂 纹 逐 渐 向 内 部扩展 ，同时内部也萌生了大量裂纹并扩展.当表面 裂纹和内部裂纹相互贯通后 .就会发生大块断裂 .见 图 6。

发生大块断裂后 ，钢丝切丸的碎块可 以看作是 一 个独立的丸粒 ，该丸粒重复经历新的磨损循环 ，但这些碎块更易产生冲击应 力集 中，且靶材表面的硬 化使钢丝切丸吸收了更多的冲击功，加剧了磨损过 程 ，因此该阶段初期的磨损速率变大 。在冲击后期 ， 大量钢丝切丸发生冲击断 裂和严重磨损 ，粒径 显著 减小.单个丸粒的冲击能量显著减小，因此磨损速率 开始逐渐降低。

影响钢丝切丸磨损失效的因素有很多，例如 ，喷 丸强化的工 艺参数、靶材的硬度和表面状况 ，以及钢 丝切丸的强度 、硬度 、韧性 、粒径等 。由于主要冲击 参数的不确定性 ，加上复杂 的冲击环境 和冲击发生 的随机性 .加剧了准确分析钢丝切丸磨损失效机理 的难度 。在整个冲击磨损过程中，钢丝切 丸的钝化 阶 段 只 发 生 在 前 75 次 的 循 环 中 ，因 此 其 寿 命 主 要 取 决于稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段 。稳定磨损阶段 的磨损速度率小 .此 阶段的累积冲击次数越多，钢丝 切丸的耐冲击性能越好，寿命越长。此外，在该阶段 钢丝切丸的形状为类球状 .这有利于产生较好的喷 丸强化效果。因此 ，在保证钢丝切丸具有足够强度 和硬度的同时 ，应尽可能地提高其韧性 ，以延迟剧烈 磨损阶段的到来.延长钢丝切丸的使用寿命 ，并提高其强化效果 。 

3结论

(1)在冲击磨损试验过程中，钢丝切丸磨损后 由网柱状逐渐转变 为类球状 .最后断裂成为较小的丸粒 。

(2)钢丝切 丸的磨损失效 过程可分 为三个 阶 段 :钝化阶段 、稳定磨损阶段 、剧烈磨损阶段;这三个 阶段的主要磨损失效机理分别为黏着磨损 、表层剥 落和大块断裂 。

(3)在保证钢丝切丸具有足够强度和硬度的同 时，还应保证其具有一定的韧性 ，这样才能使其获得良好的耐冲击性能。