| 单词 | 金属表面屈服强度的测量与研究 |
| 释义 | 【金属表面屈服强度的测量与研究】 拼译：measurement and study on surface yield strength of metals 金属材料的疲劳破坏、应力腐蚀和脆性断裂等种种失效形式多源于表面，因此强化表面可以有效地提高它们的使用性能。为了探明表面相对较弱的原因，了解表面强化处理的作用机理，必需对表面的力学特性，特别是其应力一应变关系进行表征、测量和研究。 X射线衍射线的半高宽(包括与之相关的均方根应变、嵌镶块尺寸和位错密度等)和显微硬度是表征表面力学特性的最常用指标。但半高宽只与结构状态有直接的联系，仅能间接地反映力学特性，而显微硬度值会受到残余应力等因素的影响。因此对同一试样，从该二参量测量结果所看到的趋势可能存在很大的差异。此外，它们都不能直接反映表面的应力－应变关系。因此，有必要探寻更有效的表面力学特性表征参量；表面屈服强度可以作为这样一种参量。由于X射线应力分析技术能够测量物体在外加载荷作用下表面的实际应力，加上分析所用特征谱线对金属表面的穿透深度一般只有数至数十微米，因此该技术提出(1929年)后不长时间，波仁拉特(F．Bollenrath)和豪克(V．Hauk)等人从1938年开始，就用它来测量金属的表面屈服强度，研究表面的力学行为。当时的测量方法是：将试样完全退火以避免残余应力的干扰。采用拉伸、压缩、弯曲、甚至扭转等加载方式逐级加载，同时利用X射线应力分析技术测量试样表面特定方向在每级载荷下的实际应力。将后者与载荷应力或试样的应变加以比较，从中确定表面的屈服强度。不同材料在不同试验条件下的测量结果表明，表面屈服强度有时与材料的整体屈服强度相等，有时则低于后者。二者存在明显差异的试验结果是由格洛克(G．Glocker)等人于1940年在含碳量为0．11%的碳钢上得到的。在这个试验中他们还发现，由穿透能力较强的CoKα谱线所测得表面屈服强度高于由穿透能力较弱的CrKα谱线所测得的结果。在其它的一些试验中，人们还看到碳钢中的铁素体相可能发生早期屈服．退火钢材的表面屈服强度基本上与含碳量无关，以及表面流变应力与整体流变应力之差同卸载后的表面残余应力之间有时具有良好的对应关系等一系列现象。但是应该说，在60年代之前，还没能把这方面的研究与材料的实际破坏过程有效地联系起来。另一方面，也还没有针对工程材料的工艺表面开展工作。佛里(J．T．Fourie)从60年代后期开始在单晶材料的软表面效应方面做了许多工作。他采用无应变切割技术将经过拉伸塑性形变的铜单晶或铜－铝合金单晶切成薄片后重新加载，发现比起原来处于心部的薄片，原来处于表层的薄片的屈服应力明显偏低。这表明原晶体在拉伸形变过程中，表层的硬化程度远低于心部。慕格拉比(H．Mughrabi)利用透射电镜看到，铜单晶在塑性形变后，表层的位错密度远低于心部，这个结果可对上述现象做出合理的解释。佛里认为表面软效应会通过引起所谓的卸载屈服现象而导致疲劳破坏。但是他的工作没有进一步扩展到多晶工程材料上。自70年代以来，表面强化技术在工业生产中得到广泛推广。从1981年至今，连续召开了五次国际喷丸会议是对这一发展趋势的有力说明。相应地，人们在研究表面强化机制方面的兴趣日益高涨。许多实验结果表明，表层组织强化是表面处理提高材料力学性能，特别是疲劳性能的一个重要因素。但是半高宽和显微硬度的测量结果却显示，高强度结构材料经过喷丸等冷作表面强化处理后，表面的强度反而下降。这类矛盾的出现要求人们采用一种更合理的，能够真实反映工艺表面或表层力学特性的参量。在这种条件下，有关表面屈服强度的研究进一步受到了重视。由于金属的工艺表面大多存在二维残余应力，因此在利用X射线衍射方法来测量这类表面的屈服强度时，必须解决残余应力对测量结果的影响这个关键问题。威林格尔(O，Vohringer)等人从1984年开始以喷丸试件为对象作了大量的工作。他们测量表面屈服点的方法是：采用压缩方式对试件逐级加载卸载，利用X射线衍射方法测量每次卸载后的残余应力。把表面残余应力呈现弛豫趋势作为喷丸表层发生屈服的判据。最初他们把表层屈服时这里所承受的最大实际应力(残余应力峰值+外载应力)定义为表面屈服点。从1987年开始，有时也把表层屈服时这里存在的米塞斯(Mises)等效应力定义为表面屈服点。利用这种测量方法，他们得到了喷丸虽然可使经淬火和中温回火处理的42CrMo钢表面的半高宽从3°增加到3°20′，却使其表面屈服点从1330MPa降至860MPa等结果。材料在经过表面强化处理后，表层的组织结构(有时也包括成分)严重不均匀，因此沿其厚度方向的力学性质会有很大差异，上述方法不能解决这个问题。此外，该方法也无法测得具有残余压应力的表面的拉伸屈服强度。中国何家文等在80年代后期通过对具有不同热处理状态的40Cr、2Cr13、2Crl1NiMoV和GCr15等钢种进行研究，看到了材料的表面屈服点与它们的疲劳极限之间具有良好的对应关系等现象。李家宝等人近年来致力于金属表面屈服行为的研究。他们在考虑工程结构材料的工艺表面存二维残余应力的基础上，对表面屈服强度的测量方法做了重大改进：在对试样沿其表面的一个主应力方向逐级加载的过程中，利用X射线应力分析技术同时测量表面在加载方向上的应力和横向应力，由此计算各级载荷下的实际米塞斯等效应力。把此实际等效应力与假定表面始终处于弹性形变状态下的等效应力进行比较后，画出表面的等效拉伸应力－应变曲线。最后借用静载单轴拉压试验中求整体条件屈服点和加工硬化指数的办法计算材料在X射线穿透厚度范围内的屈服应力和硬化指数。通过电解抛光或化学腐蚀方法对试件进行逐层剥离后，可以测得上述二参量沿硬化层层深的分布。采用上述方法他们发现，硬材料喷丸表层的半高宽值和显微硬度虽然降低，但屈服强度却有所提高。屈服强度的测量结果说明表层确实得到了强化，这与硬材料经过喷丸处理后，表层的残余压应力不易弛豫，而且疲劳极限可以大幅度提高的大量试验事实是一致的。他们还在回火温度、塑性形变量和循环加载对表面屈服点的影响等方面做了探讨，得到了一些有价值的研究成果。由于已经较好地解决了工程结构材料工艺表面的屈服强度测量问题，可以预料，在最近的一段时间内，人们将把金属表面屈服行为的研究与阐明材料的宏观破坏机制、探讨表面强化机理及优选其工艺参数等方面紧密结合起来。例如，可以通过测量表面屈服点在循环形变过程中的变化以获得表面的循环应力－应变关系及其循环硬化软化规律，为疲劳裂纹为什么一般易于在表面萌生和扩展从一个侧面做出合理的解释，还可以通过测量该参量来探寻具有理想残余应力分布和最佳组织强化效果的表面强化处理工艺。【参考文献】：1 Glocker R，Hasenmaier H Z VDl．1940，84：825－8282 Emter D，Macherauch E．Arch．Einsenhuttenwes．，1964，35：909－9183 Fourie J T In《Corrosion Fatigue：Chemistry，Mechanics and Microstructure》，NACE，1972，164－1754 Hirsch T，Vohringer O．Macherauch E．Harterei-Techn．Mitt．，1988，43：16－19．5 Wang H W．Ma J S．Nan J．M and He J．W．Acta Metall．Sin．，1992，5A：116－120．6 Gai X．Y，Li J．B，Z．Q．Kang and He J．W．J．Mater．Sci．Technol．，1993：9：205～2097 Li J B．，Gai X．Y．and Wang Z．G．JTEVA，1995，23：59～62(中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂国家重点实验室李家宝副研究员撰) |
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