原标题：局部喷丸处理对低压铸造A356铝合金转向节铸件组织与性能的影响

摘要：对A365铸造铝合金转向节铸件引入局部表面喷丸强化工艺，测试并分析表层残余应力分布情况及加热温度对其影响、表层显微硬度并观察喷丸截面金相组织。结果表明，通过喷丸处理可使表层组织中的共晶Si细化并显著提高铝合金表层硬度。喷丸时间为0~30 min时，随喷丸时间延长铝合金表层硬度逐渐增大，喷丸时间为30 min时表层硬度（HV）约为230，与材料心部相比提高了约1.35倍。由于喷丸效果在超过100 ℃时会消失，因此喷丸处理后的铸件工作温度建议不超过100 ℃。

喷丸处理是将高速弹丸流喷射到零件表面，使零件表层发生塑性变形，从而形成具有较高残余压应力的强化层，当零件承受载荷时由于压应力的存在可以抵消一部分应力，从而提高零件的疲劳强度。其被广泛应用于提高长期服役于高应力工况下金属零件，如飞机引擎压缩机叶片、机身结构件、汽车传动系统零件等的抗疲劳属性。A356铝合金材料具有强度高、密度小的特点，能够有效地减轻汽车自重，是实现汽车轻量化发展的重要材料，被广泛应用于汽车制造业。

疲劳断裂是A356材料制作零件的主要失效形式之一。有许多学者在关于喷丸强化对材料疲劳性能的影响等方面做了大量的研究。ZHAN K等研究了喷丸对材料表面特性的影响，证实喷丸处理能够明显改善材料的显微组织及残余应力，提高材料的疲劳强度。CHO K T等对喷丸处理铝合金表面的硬化机理进行了试验研究，表明喷丸处理能显著提高铝合金表面硬度。RODOPOULOS C A等研究了喷丸工艺对铝合金高、低周疲劳寿命及裂纹扩展速率的影响，并使疲劳性能达到最优。荣祖兰等研究了喷丸处理对试样表面粗糙度与应力分布情况，评估了试件在低循环应力下高周疲劳寿命的增益效果，并得出对高强铝合金试件进行表面喷丸强化处理可以引入表层高应力峰值、大深度的残余压应力，这对改善构件疲劳寿命非常有利。陈超等对经过高能喷丸处理后的7A52铝合金表面进行了纳米化机理分析，结果表明，7A52铝合金表面纳米级晶粒的形成机理主要是由于晶粒变形使晶内逐渐形成高浓度位错，位错的缠绕、塞积对基体晶粒进行了初步分割细化，在往复载荷的作用下最终在表面形成了等轴的随机取向分布的纳米级晶粒。本课题拟对A356铝合金转向节铸件进行局部喷丸强化，探讨不同喷丸时间和零件使用温度对铸件金相组织和力学性能的影响，分析表层残余应力分布情况、显微硬度以及观察喷丸截面金相组织，掌握A356铝合金铸件在组织和力学性能上的变化规律，为喷丸工艺在提升铝合金铸件疲劳性能方面的合理应用提供参考。

1、试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用A356铝合金转向节铸件（见图1），通过光谱分析得到其化学成分（质量分数，下同）分别为7.0%的Si，0.35%的Mg，0.02%的Fe，0.053%的Ti，0.28%的Mn，余为Al。该铸件成形工艺采用低压铸造，热处理工艺采用T6处理。试样表层残余应力测量位置见图1。

图1:转向节铸件残余应力测量点具体位置

1.2 试验方法及过程

对A356铸造铝合金转向节铸件的两条加强筋（分别称为“长筋”和“短筋”）在生产现场进行表面喷丸处理，根据现场经验，取喷丸时间30 min为实际应用参数，使用X-350A型X射线应力测定仪测定试样喷丸前后表层残余应力的变化情况。测试精度为±10 MPa，CrKα靶，衍射晶面为（222）。为减少试验误差，试样在喷丸前后测量应力状态时放置位置应完全相同。

使用X-350A型X射线应力测定仪分别对两个已进行喷丸强化的相同转向节进行表面应力测定，测定完成后将铸件1在150 ℃下保温1 h，铸件2在100 ℃下保温1 h，加热处理之后进行空冷。待铸件冷却后再次对铸件表面进行残余应力测定（测定位置与初始测量位置相同）。测量完成后比较两种状态下试样表面残余应力的变化情况。
应力测量完毕后将转向节铸件中的两条加强筋单独截取出来并切割成独立的试样以便于显微硬度测试，使用设备为维氏显微硬度计，对进行喷丸处理前后的铝合金表面及沿深度方向进行显微硬度测量，每个位置测量3次取其平均值，试验载荷为150 g，加载时间为15 s。

为了解喷丸时间对组织和性能的影响，分别取喷丸时间为0、5、10、15、20 min试样的纵切面用砂纸依次进行打磨，将试样磨至最小粒度后进行抛光处理，待纵切面抛光至镜面般光滑后使用酒精溶液和5%的HF试剂进行浸蚀，处理完成后用NikonMA100型金相显微镜观察从表面随深度变化的组织分布及变化情况，对表面及沿深度方向进行显微硬度测量，并且观察试样纵切面的显微硬度从表层随深度的变化情况。

2、试验结果与分析

2.1 喷丸处理对A356铝合金表层残余应力的影响

表1为喷丸处理前后铸件加强筋表面的残余应力。由表1可见，在喷丸处理之前试样表面处于应力正负交错状态，即拉应力和压应力交错状态，有拉应力存在处可能成为潜在裂纹源，容易引起材料表面裂纹的形成，不利于材料的疲劳性能。与此形成鲜明对比的是，经过喷丸处理在试样表面形成了较大的残余压应力，由喷丸引入的残余压应力通过削弱外加交变正应力中最大值，使材料实际承受的平均应力值下降，从而达到提高疲劳性能的效果[9]。另外残余压应力的增大还能够增强材料刚度，提高材料的表面强度，也有助于延长其疲劳寿命。

表1:铸件加强筋表面残余应力

2.2 环境模拟加热温度对A356铸造铝合金喷丸层残余应力的影响

两种铸件的应力测定情况汇总于见表2。由此可见，由于在进行加热之前对试样表面进行了喷丸处理，长、短筋表层普遍存在压应力状态，而经过加热之后喷丸处理所带来的压应力状态明显消退，这是由于温度升高使试样表层应力状态恢复为原始的拉应力状态或拉压应力交替存在状态，拉应力的存在会降低表层试样的强度和塑性，故这将不利于试样的疲劳性能。为此喷丸后铸件推荐在室温或长时间受热温度不高（建议低于100 ℃）的环境下使用较为合适，这样有利于保持铸件局部的喷丸强化效果。

表2:不同铸件加热处理前后应力残余应力值

2.3 喷丸处理对A356铝合金表层截面组织及硬度的影响

表3为喷丸前后试样表层的显微硬度。可以看出，材料表面的显微硬度在喷丸后有显著提高，这是因为试样表层经高能喷丸处理后形成了具有一定厚度的塑性变形层，并且在此变形层厚度范围内试样由表层随深度增加其晶粒尺寸呈现由小到大梯度分布的趋势，最表层晶粒预计将显著细化，这主要是因为随着距表面距离的增加，塑性变形更加强烈，位错缠绕、塞积逐渐形成规则的位错胞。随着冲击作用的不断增强，以上过程在铝合金表层变形区域反复进行，使得晶粒不断细化，从而使表面硬度能够得到明显改善。同时由于合金表层的塑性形变，致使表层晶粒产生滑移，增加了亚晶粒内位错密度（即表层晶粒的形状和位置发生了变化），也有利于表面硬度的提高。这有助于材料服役性能的改善，将体现为工件的疲劳强度、抗冲击磨损及抗应力腐蚀等性能的提高。

表3:喷丸前后试样显微硬度（HV）

随后对喷丸处理的铸件加强筋处取样断面进行显微硬度测量，结果见图2。结果表明，随着从材料表层到心部硬度有逐渐下降的趋势，推测这是由于喷丸处理而形成的强化层具有一定厚度（约几十微米数量级），且随着距表面距离的增加，喷丸强化效果逐渐减弱，直至消失。

图2:材料表层随深度方向的显微硬度变化

图3和图4分别为喷丸处理前后两种试样表层的金相组织。通过对两种试样金相组织观察可以发现，未经处理的合金中靠近表层区域共晶Si形状不太规则，而经过喷丸处理后由于喷丸粒子对铸件表面的高速撞击使材料表层发生一定程度的塑性变形，而处于表层组织中的共晶Si组织也同样因为喷丸粒子的撞击发生变形，在外力的作用下由原来的不规则形状逐渐变为接近球状，可见喷丸处理可改善铸件加强筋表层微观组织。经过喷丸处理后材料表层组织的形貌发生变化，由最初的较圆滑边界变为微观凹凸不平边界。与喷丸前试样相比，喷丸后试样接近表层部分组织变得较为均匀，这是因为经过喷丸处理使试样表层晶粒发生变形，表层变得较为均匀紧实，而经过喷丸处理增加了表层组织的均匀性，原来组织中存在轻微共晶Si晶粒团聚的现象，通过喷丸处理使组织中团聚的部分得以碎化并使其细化，从而使更多的共晶组织均匀分布。且喷丸处理之后有更多的共晶Si均匀分布于表面，从表层沿深度变化共晶Si分布均匀性逐渐减弱，可见喷丸作用仅限于表层；另外可以发现喷丸前试样组织中有轻微共晶Si聚集的现象，但经过喷丸处理之后共晶Si颗粒发生均匀化，且共晶Si颗粒更加细小。

图3:喷丸处理前合金表层的金相组织

图4:喷丸处理后合金表层的金相组织

2.4 喷丸时间的影响

不同喷丸时间下试样表层至心部显微硬度见图5。可以看出，随着测试位置距喷丸表层距离的增加，试样硬度总体呈下降趋势，且随着喷丸时间的延长，使材料表层发生更加严重的塑性变形，使得材料喷丸层的硬度逐渐上升。但有研究指出，并不是喷丸时间越长越好，由于喷丸处理会导致材料表面粗糙度提高，因此在喷丸工艺参数相同的条件下，喷丸试件过长会导致表层塑性变形严重，使材料表面产生裂纹，影响材料的服役性能与疲劳寿命。由试验数据可知在0~30 min内随喷丸时间的增加材料表层硬度逐渐增加，在喷丸时间为30 min时可使表层硬度提高1.35倍，但考虑到工业生产需要及能源消耗问题，将喷丸时间继续延长硬度增幅不明显，这样反而增加了能源与时间的损耗，降低生产效率，因此该零件在实际生产中建议喷丸时间取30 min左右。

图5:不同试样表层至心部显微硬度变化情况

图6和图7分别为不同喷丸时间试样的表层及心部的金相组织。可以看出，经过喷丸处理后表层组织的共晶Si明显减小，并随着喷丸时间的增加，细化效果更加明显，表层组织变得更加均匀，共晶Si晶粒变得更加细小均匀。喷丸处理能有效的细化组织，使共晶Si相分布均匀。由于喷丸时高速粒子对表层的撞击作用会碎化粗大的共晶Si相，细化组织。

对单一试样由于喷丸处理使组织表层发生塑性变形，共晶Si分布更加均匀，且随着喷丸时间的延长金相表层组织的均匀性增加；对于喷丸时间不同的试样，随着喷丸时间的延长，表层的晶粒变得愈加细小，具有比心部更小且均匀的组织。

图6:不同喷丸时间试样金相组织（低倍）

图7:不同喷丸时间试样金相组织（高倍）

3、结 论

（1）通过局部喷丸处理可以改善A356铸造铝合金铸件表面的组织和力学性能。

（2）A356铸造铝合金经过表面喷丸处理之后，会在表层形成残余压应力，形成具有一定厚度的塑性变形层，该变形层的形成能够提高表层的硬度和塑性，改善疲劳性能；另外通过局部喷丸还可以明显地细化表层组织中的共晶Si晶粒，使其形貌由粗块状转变为细小蠕虫状或颗粒状组织，使合金表层组织更加均匀细小。

（3）通过喷丸处理在表层形成的压应力层在经过加热之后原来的残余压应力会消失，恢复至拉压应力交替存在的状态。因此喷丸后铸件推荐在受热温度较低的环境下使用较为合适（建议零件长时间使用温度小于100 ℃），这样有利于保持铸件局部的喷丸强化效果。

（4）通过喷丸处理形成的塑性变形层具有一定厚度，且从表层至心部强化效果逐渐弱化。随着喷丸时间的增加，合金表层硬度呈现逐渐上升的趋势，但到后期继续延长喷丸时间，硬度增加趋势不明显，反而会对材料表面产生损伤，增大表层应力集中倾向。

文章作者

高文杰 杨弋涛
上海大学材料科学与工程学院

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第10期