浙江宏盛特鋼有限公司采用不同的噴丸壓力和噴丸時間參數，對304不銹鋼管焊接接頭進行高能噴丸處理。通過X射線衍射方法檢測了試樣表層的晶粒尺寸和組織，并用顯微硬度計測量了試樣表層的顯微硬度。結果表明，經高能噴丸處理后，304不銹鋼管焊接接頭表層晶粒明顯細化，達到納米級，隨著噴丸壓力或噴丸時間的增加，晶粒尺寸逐漸變小，表層硬度隨之增加；高能彈丸強烈沖擊，使焊接接頭表層產生塑性變形，并誘發馬氏體相變，隨著噴丸壓力增大或噴丸時間增加，馬氏體相比例逐漸增大。高能噴丸利用高速氣流夾帶金屬彈丸，轟擊構件表面，使其發生組織和力學性能變化，是一種有效的表面強化技術。與一般機械噴丸不同，高能噴丸采用金屬彈丸，其強度和硬度更高，轟擊過程中彈丸不易破碎，同時，夾帶金屬彈丸的氣流速度更快。因此，高能噴丸轟擊金屬表面的能量比一般機械噴丸大，表面強化效果更好。

  目前，采用高能噴丸技術使材料獲得優異性能的研究有很多，宏盛特鋼采用高能噴丸技術處理不銹鋼管焊接接頭的表面，對處理試樣進行XRD、TEM、SEM分析，結果表明，焊接接頭的表面經高能噴丸處理后形成了尺寸均勻且取向隨機分布的納米晶粒；焊接接頭焊縫、熱影響區、母材這三個區域的表層硬度一致，且遠高于處理前試樣的硬度；通過疲勞試驗還表明高能噴丸提高了焊接接頭的疲勞強度。王天生等通過對1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面進行高能噴丸處理，對處理后的試樣表面進行XRD、TEM分析。結果表明：高能噴丸實現了試樣表面納米化，改善了試樣在NaCl溶液中陽極動電位極化曲線，形成了明顯的鈍化膜，有效地提高了試樣的耐腐蝕性能。劉陽等對Q235鋼進行高能噴丸處理，結果顯示處理后試樣表面硬度提高，同時表面粗糙度增加，材料減摩耐磨性明顯提高。采用高能噴丸處理技術處理低碳鋼表面，采用XRD技術對經過30分鐘噴丸處理的試樣進行表征，結果發現，表層晶粒平均尺寸為30nm左右，平均微觀應變達到0.01%～0.1%，材料的屈服強度顯著增強。對低合金鋼進行高能噴丸處理，采用XRD技術分析發現試樣表層獲得了納米晶層，對試樣進行殘余應力分析發現殘余應力的厚度明顯增加，試樣表層顯微硬度提高了23%。等對鎳合金表面采用高能噴丸處理，將試樣低溫退火后發現該合金在鹽酸中的耐腐蝕性能明顯提高�？偨Y國內外的研究結果可以得出：通過表面高能噴丸處理，可以顯著提高材料的力學性能、疲勞性能、耐腐蝕性能和摩擦性能。但目前對于高能噴丸工藝參數對304不銹鋼管焊接接頭表面性能的影響規律和機理，尚缺少系統的研究。

  宏盛特鋼采用不同噴丸壓力和噴丸時間對304不銹鋼管焊接接頭進行高能噴丸處理，研究不同噴丸工藝參數對高能噴丸強化304不銹鋼管焊接接頭效果的影響和機理。

一、試驗材料及方法

試樣材料取自304不銹鋼管，厚度2mm，鋼管焊接采用等離子焊，單面焊雙面成型。高能噴丸在氣動式噴丸機上進行，采用不銹鋼彈丸，直徑0.5mm，噴嘴到試樣表面的距離150mm。為了研究噴丸壓力和噴丸時間對焊接接頭性能的影響，將試樣分為兩組，第一組固定噴丸時間為5分鐘，噴丸壓力分別為0、0、3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55和0.6MPa；第二組固定噴丸壓力為0.5MPa，噴丸時間分別為0、1、2、3、5和8分鐘。高能噴丸處理后的試樣經過無水乙醇清洗，采用X射線衍射儀對試樣表面進行物相分析，根據顯微組織的XRD圖譜計算得到各試樣的晶粒尺寸和點陣畸變。為了分析試樣表層的顯微硬度，將高能噴丸處理后的試樣沿縱向剖開，縱向斷面經過打磨和拋光，在顯微硬度計上測試顯微硬度，試驗載荷為200g，加載時間為10秒，測試點分布在距表面0～500μm的表層。

二、試驗結果

1. 高能噴丸壓力對材料表面性能的影響

  噴丸壓力決定了彈丸轟擊試樣表面的速度，是影響噴丸能量大小的直接因素，第一組試樣固定噴丸時間為5分鐘，噴丸壓力分別為0、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6MPa。不同噴丸壓力處理后焊接接頭試樣表面的XRD圖譜如圖所示。從圖中可以看出未處理焊縫試樣表層為奧氏體相，隨著噴丸壓力的逐漸增大，奧氏體相逐漸減少。當噴丸壓力達到0.35MPa時伴隨有馬氏體相的出現。當噴丸壓力為0.5MPa時，馬氏體是主要組成相，奧氏體成為少量殘留相，即隨著噴丸壓力升高，馬氏體相逐漸增加而奧氏體相慢慢減少。這是由于在噴丸過程中，高速彈丸轟擊焊接接頭試樣表面，使之產生強烈的塑性變形，誘發馬氏體相變。

  經高能噴丸處理后，試樣的衍射峰發生了寬化，表明高能噴丸處理后試樣表層的晶粒比未處理試樣小，點陣發生畸變。根據圖中衍射峰的半峰寬，扣除儀器寬化效應，由物理寬化計算出各試樣的晶粒尺寸和點陣畸變。根據半峰寬和衍射角測量數據，采用數值方法求解得到點陣畸變和晶粒尺寸。不同噴丸壓力處理后試樣晶粒尺寸和晶格畸變的結果列于表。由表看出，經高能噴丸處理后，試樣表層晶粒明顯細化，晶粒尺寸達到了納米級（20.3～45.5nm），實現了表面納米化。在噴丸時間5分鐘，噴丸壓力為0.5MPa時，試樣表層晶粒尺寸最小，為20.3nm，晶格畸變最大，達到0.533%。當噴丸壓力小于0.5MPa時，隨著噴丸壓力的增大晶粒尺寸逐漸減少，晶格畸變相應增大；當噴丸壓力達到0.5MPa后，隨著噴丸壓力增加，晶粒尺寸和晶格畸變均趨于恒定。高能噴丸處理使試樣表層發生了強烈的塑性變形，隨著噴丸壓力增加，塑性變形程度增大，原子間的平衡狀態遭到破壞，晶格發生了強烈扭曲。到一定噴丸壓力后，由于納米晶結構基本穩定，晶粒將不再細化。試樣縱向斷面的顯微硬度分布采用顯微硬度計測量，測點分布如圖所示。當噴丸時間為5分鐘，不同壓力下試樣表層維氏顯微硬度沿厚度分布見圖。從圖中可以看出，當噴丸壓力從0～0.6MPa變化時，各試樣表面的顯微硬度分別為422、458、505、561、716、709、707和726HV0.2，最高硬度值比未處理試樣提高了1.5倍。隨著噴丸壓力升高，試樣表層的顯微硬度增大，但當壓力大于0.45MPa后，硬度分布曲線趨于一致，可見0.45MPa以后噴丸壓力對硬度影響很小。對于一定噴丸壓力，顯微硬度在表面最大，隨著距離表面深度的增加，顯微硬度迅速下降并趨于穩定，最終保持在310HV0.2左右。

 2.高能噴丸時間對材料表面性能的影響

   高能彈丸轟擊金屬表面，使之產生塑性變形，轟擊作用持續一定時間后，金屬表面的塑性變形逐漸累積，使晶粒不斷得到細化，即噴丸時間直接影響金屬表面塑性變形的程度。為了研究噴丸時間對材料表面性能的影響，第二組試樣固定噴丸壓力不變為0.5MPa，噴丸之間從0～8min變化。不同噴丸時間下焊接接頭試樣的XRD圖譜。從圖中可以看出，未處理焊縫試樣表層為奧氏體相，當噴丸時間為1分鐘時開始出現馬氏體相。隨著噴丸時間的增加，馬氏體相逐漸增加，奧氏體相逐漸減少。當噴丸時間達到3分鐘后，馬氏體已是主要組成相，奧氏體已成為少量殘留相。由圖可見，經過一定時間高能噴丸處理后，試樣的衍射峰均發生了寬化。根據圖中衍射峰的半峰寬，扣除儀器寬化效應，由物理寬化計算出各試樣的晶粒尺寸和晶格畸變，其結果列于表。表顯示，經過一定時間高能噴丸處理后，試樣表層晶粒明顯細化，晶粒尺寸均達到了納米級。當噴丸壓力為0.5MPa，噴丸時間少于5分鐘時，隨著噴丸時間的增加晶粒尺寸逐漸減少，點陣畸變逐漸增大。噴丸時間超過5分鐘后，納米晶結構達到穩定，隨著噴丸時間的增加晶粒尺寸變化不大。當噴丸壓力為0.5MPa時，不同噴丸時間下試樣維氏顯微硬度沿厚度分布情如圖。從圖中可以看出，不同噴丸時間下各試樣表面處的顯微硬度分別為422、561、698、719、730和787HV0.2，最高硬度值比未處理試樣提高了1.5倍。隨著噴丸時間增加，試樣表面處的顯微硬度也隨之增加。每一個試樣顯微硬度分布呈現同樣變化趨勢：隨著距離表面深度的增加，試樣表層顯微硬度迅速下降并趨于穩定，最終保持在310HV0.2左右。

三、分析討論

   通過上述實驗可知，304不銹鋼管焊接接頭經高能噴丸后，表面晶粒得到細化，點陣發生畸變，同時誘發馬氏體相變，表層硬度得到顯著提高。304不銹鋼管焊接接頭在成形過程中，由于種種原因導致原子排列遭到破壞，形成了位錯缺陷。304不銹鋼管由于層錯能較低，限制了位錯的交滑移，試樣在高能噴丸處理過程中，位錯只能在奧氏體相面滑移，并相互交割形成網狀結構。位錯在晶界處堆積形成位錯塞積群，位錯塞積群內產生的應力集中摧毀晶界，發生孿生變形，產生單系孿晶，單系孿晶會繼續過渡到多系孿晶。不同的孿晶系相互交割將晶粒細化，同時在多系孿晶交割處積聚了較高的變形儲存能，克服了馬氏體相變的阻力，從而誘發了馬氏體相變。隨著噴丸壓力增大或噴丸時間的增加，表層產生的應力應變增加，孿晶系相互交割不斷加劇，晶粒不斷細化，最終在試樣表面形成了等軸、隨機取向的馬氏體納米晶，應變誘發馬氏體相也增多。試樣縱向斷面的顯微硬度分析結果表明，隨著噴丸壓力增大或噴丸時間的增加，顯微硬度不斷升高。結合分析結果，導致顯微硬度升高的原因有3個：一方面由于高能噴丸處理使試樣表層發生強烈的塑性變形，隨著噴丸壓力增大或噴丸時間的增加，塑性變形程度增加，晶體對滑移的阻力愈來愈大。從位錯理論來看，塑性變形導致位錯密度增加，即產生了位錯強化效應。根據強度可知，位錯密度越大，材料強度越高，即硬度越高。另一方面，高能噴丸處理后晶粒得到細化，根據納米材料強度晶粒越小，金屬材料強度越高，硬度越高，即產生了細晶強化效應。最后，由于在塑性變形過程中形變誘發的馬氏體相增多，引起材料硬度提高，即產生了馬氏體相變強化效應。所以在位錯強化、細晶強化和馬氏體相變強化的共同作用下導致材料表面硬度的提高。

四、結論

1. 高能彈丸強烈沖擊，使焊接接頭表層產生塑性變形，并誘發馬氏體相變，隨著噴丸壓力增大或噴丸時間增加，馬氏體變為主要組成相，奧氏體則成為少量殘留相；

2. 經高能噴丸處理后，304不銹焊接接頭表層晶粒明顯細化，達到納米級，隨著噴丸壓力增大或噴丸時間的增加，晶粒尺寸逐漸變小，晶格畸變隨之增加；

 3.高能噴丸過程中，在位錯強化、細晶強化和馬氏體相變強化的共同作用下導致試樣表層硬度顯著提高。隨著噴丸壓力增大或噴丸時間增加，表層硬度也隨之增加。