超高强度钢表面纳米化后的腐蚀疲劳行为研究

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起落架作为舰载机最为关键的构件之一,在服役过程中发挥着至关重要的作用。舰载机起落架不仅要经受航母平台诱发的机械振动以及遭受盐分和海水的侵蚀,而且在服役过程中需要承受极大的交变载荷和强烈冲击,极易引发不可预期的腐蚀疲劳断裂,给设备和人身安全带来极大的隐患。300M钢因具有超高强度和优良的塑韧性而成为舰载机起落架等关键构件的首选材料,通过表面纳米化处理提高其腐蚀疲劳性能,从而提高构件的使役性能具有重要意义。本文以舰载机起落架用钢300M超高强度钢为研究对象,采用超音速微粒轰击(SFPB)和激光冲击强化(LSP)两种表面纳米化工艺在300M钢表面构建梯度纳米结构,随后分别在不同载荷应力下对其进行腐蚀疲劳试验。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、三维形貌仪以及X射线应力分析仪等表征两种表面纳米化处理前、后的300M钢腐蚀疲劳断口形貌,并研究腐蚀疲劳过程中的微观组织演变、表面完整性以及表面残余应力松弛,为超高强度钢航空关键构件的先进抗疲劳制造提供理论依据和技术支撑。通过SFPB处理有效提高了300M钢的腐蚀疲劳寿命。SFPB处理使300M钢腐蚀疲劳后的疲劳源数量明显减少,二次裂纹数量增多。当加载应力σmax为400 MPa时,疲劳辉纹宽度由未强化试样的0.80μm减小至SFPB试样的0.20μm,且随着加载应力水平的增加,相应的疲劳辉纹宽度增至0.29μm(σmax:800MPa)。300M钢经SFPB处理后表面发生严重塑性变形,晶粒细化至纳米级,形成梯度纳米结构;腐蚀疲劳后,SFPB试样表层仍为纳米晶,次表层形成形变孪晶以协调塑性变形,且随着加载应力水平增加形变孪晶数量增多。SFPB处理300M钢腐蚀疲劳后表层残余压应力由938 MPa(未腐蚀疲劳)松弛为-490 MPa(σmax:400 MPa)和-212 MPa(σmax:800 MPa),松弛量分别为47.76%和77.40%。SFPB处理使300M钢腐蚀疲劳后表面裂纹数量明显减少,表面粗糙度降低。通过LSP处理能够有效提高300M钢的腐蚀疲劳寿命,且随着脉冲能量增加腐蚀疲劳寿命显著提高。LSP处理300M钢腐蚀疲劳后的疲劳源明显减少,二次裂纹数量增多。当加载应力σmax为400 MPa时,疲劳辉纹宽度随着脉冲能量增加从0.23μm(LSP-3 J)减小至0.16μm(LSP-7 J)。300M钢经LSP处理后表层晶粒细化至纳米级,且随着脉冲能量增加晶粒细化程度增加;腐蚀疲劳后,表层纳米晶具有良好的组织稳定性,次表层形成较多粗大的形变孪晶,且随着脉冲能量增加形变孪晶数量增多,位错-位错、孪晶-位错以及孪晶-孪晶的交互作用明显增强。LSP处理300M钢腐蚀疲劳后表层残余压应力发生不同程度的松弛,当加载应力为400 MPa时,残余应力松弛量分别为57.21%(LSP-3 J)和46.80%(LSP-7 J),随着加载应力水平增加,残余应力松弛量(σmax:800 MPa)分别增至77.60%(LSP-3 J)和75.47%(LSP-7 J),低应力载荷或高脉冲能量使LSP试样表层残余应力松弛程度降低。LSP处理300M钢腐蚀疲劳后的表面裂纹和表面粗糙度随着脉冲能量增加而明显减小。
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