一些工程构件的金属喷口长期经历高压液体的冲击，其失效形式除了磨损外，也存在疲劳断裂破坏，金属喷口经历水压力作用可能会导致其表层压应力的增加，但在持续的水压应力作用下，其出现疲劳破坏的原因除了磨损或腐蚀导致外，是否还存在其他可能还值得进一步追踪。同样在经历水射流作用后，金属构件的残余压应力对疲劳裂纹扩展特性也需要进一步的研究来积累基础数据。本文以低碳合金钢渗碳试样为研究对象，通过水射流方案进行表层处理，研究不同条件下试样表层组织与残余应力的影响，探索强化的表层状态对裂纹扩展速率影响规律。研究结果有助于认识一些长期承压构件的破坏方式，同时也为特定构件表面强化技术的应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验采用材料为70 mm 的低碳合金钢棒料，其化学成分( 质量分数，%) 为0.19C、0.28Si、0.93Mn、1.2Cr，余 Fe。经改锻成条形板，用 线 切 割 切 成 65 mm ×60 mm ×30 mm( 长 × 宽 × 厚) 矩形板状试样，在 920 ℃进行 2 次正火处理后，随后进行真空气体渗碳处理，渗碳温度 920 ℃油淬，回火 380 ℃，保温时间 120 min 后再空冷。渗碳件经精磨加工后进行水喷丸处理，采用直径50 μm 玻璃弹珠作为水喷丸添加料来保证表层强化效果。本研究根据水喷丸工艺作用特点，主要选取低压快速扫描和高压慢速扫描的工艺方案进行对比，靶距均为 50 mm，并与未喷射处理的试样进行对比，紧凑拉伸试样选取的喷射方案为: ①压力 100 MPa，扫描速率900 mm /min( 1 号样) ; ②压力200 MPa，扫描速率600 mm /min( 2 号样) ; ③压力300 MPa，扫描速率300 mm /min( 3 号样) 。

釆用基恩士 Keyence 型激光共聚焦显微镜获得试样表面轮廓图，并统计其粗糙度 Ｒa。用饱和氯化钠溶液 + 10% 甘油电解液逐层腐蚀渗碳钢表层，测量残余应力随深度的变化。透射试样经离子减薄后，采用Tecnai G2 F20 S-TWIN 透射电镜观察微观结构形貌。试样表面经 380 ℃ 低温回火，电解抛光后，采用蔡司SUPＲA40-41-90 扫描电镜上的 TSL-EBSD 进行数据采集( 每组图片的标定率均在 95% 以上) 。紧凑拉伸试样在 INSTＲON8801 型拉伸试验机上进行疲劳裂纹扩展速率测试。先采用恒应力强度因子ΔK =30 MPa·m^1/2预制3 mm 裂纹。预制完疲劳裂纹后，疲劳裂纹扩展采用降ΔK 法，降 K 梯度为 － 0.1 mm － 1，试验载荷为正弦波，载荷比 Ｒ = 0.1，试验温度为 25 ℃，频率 f = 10 Hz，根据试 验 结 果 绘 制 da /dN ～ ΔK 曲 线。 采 用 蔡 司SUPＲA40-41-90 扫描电镜对试样表层断口进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 微区表面特征与力学特点

试样的表面粗糙度统计如图 1 所示，图 1( a) 为不同工艺条件下试样的表面轮廓图，从上到下分别是 1、2、3 号试样，图 1( b) 为统计所得 Ｒa，低喷射压力、高行走速率的 1 号试样出现了最差的表面粗糙度，而 3 号试样在较大的压力及较慢行走速率条件下，表层被削去大约 0.1 mm 左右的深度，其表面粗糙度相对 1 号试样有所改善。而 2 号试样的粗糙度与未表面处理试样相近。

对不同试样进行表面残余应力分布测量，结果见图 2。可见，尽管 3 号样在 300 MPa，300 mm/min 的冲刷作用下，表层有0.1 mm 左右的物质损失，但其最大压应力 依 然 接 近 － 1400 MPa 水 平，压应力深度约为170 μm，而 1 号试样由于喷射压力较低，扫描速率较快，其最大压应力在距离表面约 13 μm 的区域，约为－ 1100 MPa，2 号试样的压应力深度及最大压应力介于 1 号及 3 号样之间。研究表明，采用水射流喷丸处理后可获得表层残余压应力，并且残余压应力随喷射工艺的差别而有明显区别。

图 3( a) 是未进行水流喷射的表层欧拉角图，经历过水喷射处理后试样微观组织中小角度晶界密度明显增加，位错墙向低角度晶界转变，原来粗大的马氏体束、块等被分割成细小的亚结构组织( 见图 3( b) ) ，因此通过对比可明显观察到微观组织取向更为丰富及被细化的形貌。

图4( a) 为未经水喷丸处理试样的 TEM 图像，图 4( b) 为经过水喷射处理后 2 号样的 TEM 图像，和图 4( a) 中具有较高密度马氏体组织相比，经过水喷丸后，渗层具有显著的孪晶特征。水喷丸过程中的应变促进剪切带的形成，分割了马氏体，细化了微观组织。

因此从微观组织上可显著观察到，利用带添加物的水喷丸技术方案，可以满足对低碳钢渗碳层表面进行有效的强化处理，在表面完整性、粗糙度不显著被破坏的前提下，促进微观组织的细化，并提高残余压应力水平。

2.2 裂纹扩展速率与断口分析

经表面强化后试样的疲劳裂纹扩展速率分析结果如图 5 所示，由于本试验中试样表面进行了渗碳，且进行了水喷射强化，因此试样表面到心部的组织性能并不均匀，应力强度因子低于 20 MPa·m^{1 /2}后，出现较大的扩展速率波动，较难获得疲劳裂纹扩展门槛值 K_th，因此本试验主要利用降 K 法完成了 Paris曲线中稳定扩展区的趋势试验。从图5可观察到Paris 曲线中近门槛区与稳定扩展区之间明显的拐折区域，并且在各组曲线的对比中可观察到，1、2、3 号试样的裂纹扩展速率趋势均高于未进行喷丸强化试样。在表面强化与疲劳裂纹扩展关系的研究报道中，同样出现表面强化处理导致裂纹扩展速率增加的情况。

对强化层边缘的断口SEM观察结果如图6所示。图 6( a，b) 分别为 2 号及 3 号试样表层附近断口形貌，相对于未水喷丸试样断口( 图 6 ( c) ) ，经历过水喷丸处理的试样具有更明显的沿晶断裂趋势。这主要是因为水喷丸促进了晶内位错密度的增加，晶内位错运动阻力增加，加载过程中应力集中在晶界，从而导致沿晶开裂，因此水喷丸对表面具有明显的强化作用。

 图7 为靠近表面的断口形貌，其中面积最大区域为降 K 过程中形成的主裂纹面，降K与升K试验的交界线为 da /dN 达到最小值时的裂纹扩展区域。由于试样表层与心部裂纹扩展速率具有差异，心部快而表层较慢，由此形成了这种带有弧形的主裂纹面，由于心部拉应力叠加，其内部裂纹扩展快于表面，形成较小的锐角如图 7( a ～ c) 所示，作为对比的未喷丸试样的锐角角度明显更大，表现出表层与心部裂纹扩展相对较为同步的特征，见图 7( d) 。因此渗碳后的水喷丸强化可明显提高表层的强度水平，但由于试样在表层产生压应力的同时，中间产生了相应的拉应力，拉应力减少了裂纹闭合的效应，并且拉应力对裂纹扩展速率的影响比压应力的更大，结果表面经过强化处理的 CT 试样裂纹扩展速率更快。

通过表层强化技术方案来提高构件表层压应力水平是提高零部件疲劳寿命的有效手段。采用添加玻璃弹珠的水射流进行表面喷射是一种简单有效的表面强化技术工艺，在不显著降低表层光洁度及不破坏表面完整性的前提下，可对渗碳淬火试样进行有效的表层喷丸强化，细化表层组织，改善微区亚结构，获得较高的残余压应力水平，由此提高构件服役疲劳寿命。本文在对表面强化试样进行疲劳裂纹扩展研究中发现，表面压应力水平的增加，会导致试验中疲劳裂纹扩展速率略有提高，主要是因为平衡表面压应力所产生的拉应力对裂纹扩展速率的影响更大。这意味着如果零部件服役过程表面出现宏观缺陷后，在构件表面压应力水平的持续作用下，可能会导致交变载荷下缺陷区疲劳裂纹的快速发展，因此这就要求零部件在具有一定残余压应力水平条件下保证表面的完整性，以满足其对疲劳寿命的要求。

 3结论

1) 利用添加玻璃丸的水喷丸技术，可在低碳钢渗碳淬火试样上获得残余压应力，喷射扫描速率较快，喷射应力较低时，试样表面压应力低，且形成较高的表面粗糙度。当喷射速度较慢，喷射应力较高时，会导致试样物 质 冲 刷 损 失，可 实 现 深 度 接 近 150 μm，最 大－1400 MPa 的 压 应 力 层。在 200 MPa 喷 射 压 力，600 mm/min扫描速率下，试样能获得较好的表面粗糙

度Ｒa=0.195 μm，且保证 100 μm 左右深度，最大压应力达到－1244 MPa 的残余应力层。水喷丸压力促进了渗碳层变形，剪切带能有效分割马氏体组织，微观组织得到细化呈现出多种取向。

2) 疲劳裂纹扩展速率测试发现，经过水喷射后，试样裂纹扩展速率 da /dN 与未进行水喷射处理试样有所提高，这一方面因为表面形成的压应力导致心部拉应力提高，加速了裂纹扩展，另一方面水喷射处理后渗碳层的变形强化降低了裂纹尖端塑性区，提高了裂纹扩展敏感性。