激光冲击处理不锈钢慢应变速率拉伸应力腐蚀性能

激光冲击处理不锈钢慢应变速率拉伸应力腐蚀性能
魏新龙;凌祥;张萌
【摘要】利用激光冲击处理技术对304不锈钢片试样进行激光冲击处理.采用慢应变速率拉伸实验方法评价304不锈钢激光冲击处理前后在80 ℃时、质量分数为3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀开裂敏感性.通过金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析激光冲击处理后表面强化层的晶粒细化程度.采用显微硬度计测定了表面显微硬度分布及影响层深度.实验结果表明,激光冲击处理未能显著细化试样表层晶粒,但可以提高显微硬度.随着冲击次数增加,表面显微硬度值也增加,影响层厚度提高.慢应变速率拉伸应力腐蚀试验结果表明激光冲击处理可以降低不锈钢应力腐蚀开裂敏感性,且双面冲击处理比单面冲击处理效果更好.%The 304 stainless steel was processed by laser shock processing (LSP).The stress corrosion cracking (SCC) behavior of 304 stainless steel specimen before and after LSP was evaluated using slow strain rate test (SSRT)in 3.5% NaCl solution at 80 ℃.Surface microstructure modification was e valuated by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM).Micro-hardness distribution in depth and affected depth were investigated by the micro-hardness tester.Results showed that surface refined grains were not found after LSP.However, micro-hardness was increased by LSP.With the increase of shot number, micro-hardness and thickness of affected layer were increased.SSRT results showed that SCC sensitivities of 304 stainless steel were decreased by LSP.SCC sensitivities of two-side LSP with higher resistance were lower than those of one-side one.
【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(039)003
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】激光冲击处理;显微组织;显微硬度;慢应变速率拉伸(SSRT);应力腐蚀(SCC)
【作者】魏新龙;凌祥;张萌
【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京211800
【正文语种】中文
【中图分类】TG172.5
奥氏体不锈钢由于其优良的力学性能而广泛应用于工业生产中，是一类非常重要的材料。

尽管它具有固有的抗腐蚀性能，但奥氏体不锈钢在氯离子和拉伸应力共同存在的苛刻条件下对局部腐蚀诸如孔蚀和应力腐蚀极其敏感［1－3］。

随着激光科学与技术的快速发展，激光冲击处理作为一个新的表面改性技术而出现。

激光冲击处理原理是采用纳秒激光脉冲辐照材料表面，产生等离子体冲击波，等离子体冲击波轰击材料表面，从而在材料表面产生局部塑性变形。

激光冲击处理通常可以影响材料的表面性能:高幅值的残余压应力、有限的粗糙度以及细化的微观组织。

目前，激光冲击处理已经可以用来提高很多金属材料的疲劳性能［4－8］。

同时，激光冲击处理也可以用来改善金属材料的腐蚀性能。

Peyre等［9－10］研究激光
冲击处理AISI316L不锈钢应力腐蚀开裂性能，结果表明激光冲击处理可以抑制裂纹产生。

其后，他们发现相比于没有保护涂层激光冲击处理，有保护涂层激光冲击处理后点蚀性能更优。

Sano等［11］研究发现激光冲击处理可以阻碍SUS304不锈钢应力腐蚀裂纹萌生以及预制裂纹的扩展。

Amar等［12］研究了激光冲击处理AA2050-T8后腐蚀行为，发现未处理材料出现点蚀和晶间腐蚀开裂，而激光冲击处理后未发生晶间腐蚀开裂。

与传统冲击喷丸技术相比，还很缺乏提高激光冲击处理对抗应力腐蚀性能的机制包括激光冲击处理后显微组织变化以及单/双面激光冲击对应力腐蚀性能的影响，因此有必要研究激光冲击处理后材料的应力腐蚀性能变化及其强化机制。

利用激光冲击处理技术对304不锈钢片状试样进行强化处理。

通过金相显微镜(OM)以及扫描电子显微镜(SEM)对处理后强化层晶粒细化程度进行表征。

通过显微硬度计对强化层显微硬度及影响层厚度进行测定。

通过慢拉伸应变速率拉伸试验来研究激光冲击处理后的304不锈钢应力腐蚀开裂行为。

研究结果为分析激光冲击处理后应力腐蚀性能变化提供理论指导，也为激光冲击处理后的不锈钢应用范围的进一步拓宽打下坚实的基础。

实验材料为市售的304不锈钢板，厚度为3 mm，其化学成分见表1。

慢应变速率拉伸实验用试样为板状，沿轧制方向切取，标距段长30 mm，宽6 mm，如图1所示。

试样表面均采用水磨砂纸逐级打磨至1.7μm，用去离子水冲洗，用酒精超声波清洗，并干燥备用。

采用波长为1.064μm、脉宽为15 ns、重复频率为1 Hz的Q-开关钕玻璃激光器对材料表面进行激光冲击处理。

激光冲击处理装置如图2所示。

笔者采用激光脉冲为25 J，直径光斑4 mm，搭接率为50%。

为了避免激光辐照过程中产生损伤并提高等离子体脉冲压力，在试样表面覆盖一层3 M公司生产的0.15 mm厚的铝箔。

实验中，采用1～2 mm厚的流水作为透明约束层。

经激光冲击后的试样沿厚度方向切开，试样横截面抛光后进一步电解侵蚀。

电解液为10%质量分数的草酸溶液，电压3 V，时间120 s。

通过金相显微镜和扫描电子显微镜观察分析激光冲击处理后304不锈钢近表层的显微组织变化。

采用HVS1000型数显显微硬度计测量激光冲击后的304不锈钢沿试样横截面深度方向上的显微硬度分布规律。

测量时，载荷为200 g，保载时间为15 s。

慢应变速率拉伸实验在INSTRON5869拉伸试验机上进行。

拉伸速率为10－5s－1，实验温度为80℃，腐蚀介质为3.5%NaCl溶液。

拉伸结束后采用扫描电子显微镜来观察分析应力腐蚀裂纹特征和断口形貌。

2.1 显微组织
图3为激光冲击处理前后304不锈钢近表面金相组织。

从图3中可以看出:明显的奥氏体相，激光冲击处理后表面晶粒没有明显细化。

图4 为激光冲击处理采用扫描电子显微镜观察到的近表面晶粒SEM形貌。

从图4中可以看出:经过激光冲击处理后304不锈钢在近表面晶粒内产生大量位错，位错运动产生交滑移带。

2.2 显微硬度
图5为激光冲击处理后显微硬度沿深度方向分布。

从图5中可以看出:母材显微硬度为2.25 GPa，单次激光冲击处理后显微硬度在表面最大，为2.528 GPa，相对于母材提高了12.36%。

随着深度的增加，显微硬度逐渐降低，最后趋于稳定，激光冲击处理影响层深度为0.9 mm。

4次激光冲击处理后，显微硬度变化规律与单次处理相同，表面显微硬度值为3.225 GPa，相比于母材，增加了43.33%，是单次激光冲击处理效果的3.5倍。

随着深度的增加，显微硬度逐渐减小，在1.1 mm深度以下时，趋于稳定。

可以看出，激光冲击处理可以提高不锈钢显微硬度，随着深度的增加，这种强化效果逐渐变弱。

这是由于激光冲击波在材料内部传播时不断衰减，当达到某一深度，激光冲击波幅值低于材
料的动态屈服强度，此时强化效果消失。

2.3 慢应变速率拉伸应力腐蚀实验
为了量化304不锈钢在腐蚀介质中的应力腐蚀敏感性，一般采用3种参量来计算，定义如下。

F(Rm)=(Rm0－Rm)/Rm0×100%
F(δ)=(ε0－δ)/δ0×100%
F(Ψ)=(Ψ0－Ψ)/Ψ0×100%
式中:F(Rm)、F(δ)和F(Ψ)分别拉伸应力-应变曲线上抗拉强度、伸长率和断面收缩率表示的应力腐蚀敏感性指标，Rm0、Rm分别为试样在空气和腐蚀介质中的抗
拉强度，δ0、δ分别为试样在空气和腐蚀介质中的伸长率，Ψ0、Ψ分别为试样在空气和腐蚀介质中的断面收缩率。

图6为304不锈钢慢应变速率拉伸应力-应变曲线。

总体上看，304不锈钢激光冲击处理前后在腐蚀介质中抗拉强度和断后延伸率均低于空拉后的抗拉强度和断后延伸率，这说明激光冲击处理前后试样在溶液中均表现一定的应力腐蚀敏感性。

而未处理试样的抗拉强度和断后延伸率最低，这说明未处理试样在80℃、3.5%NaCl
溶液中应力腐蚀开裂敏感性最大。

而经激光冲击处理后的试样在溶液中的抗拉强度和延伸率均比未处理试样的抗拉强度和延伸率大，这表明激光冲击处理降低了
304不锈钢材料的应力腐蚀敏感性。

同时，可以看出，相比于单面激光冲击，经
过双面激光冲击处理后的试样的抗拉强度和断后伸长率相对要高，说明双面激光冲击处理的强化效果更好。

慢拉伸应变速率拉伸实验结果见表2。

未处理试样应力腐蚀敏感性指标均低于激光冲击处理试样指标，这说明激光冲击处理可以显著降低304不锈钢在80℃、3.5%NaCl溶液中应力腐蚀敏感性，同时可以看出双面激光冲击处理比单面激光冲击处理强化效果要好。

一般来说，裂纹出现
时大量位错沿滑移面滑移到裂纹尖端处，但激光冲击处理诱导产生的相互缠结高密度位错和交滑移带，滑移阻力较大，激光冲处理后产生的这些微结构阻碍了裂纹的产生和扩展。

因此在相同载荷及腐蚀介质环境下，激光冲击处理抗应力腐蚀性能也就更好。

图7为激光冲击处理前后304不锈钢慢应变速率拉伸应力腐蚀开裂断口形貌。

图7(a)为明显的韧窝，表明304不锈钢在空气中拉伸时为典型的韧性断裂。

图7(b)表明未处理试样应力腐蚀断口有大量的腐蚀产物，同时有部分沿晶开裂。

图7(c)和7(d)为激光冲击处理后应力腐蚀断口形貌，可以看出单面冲击处理不锈钢断口上有大量的腐蚀产物覆盖。

同时可见少量韧窝，而双面激光冲击处理不锈钢断口上出现扇形花纹，但韧窝区域比单面冲击大得多。

1)激光冲击处理后304不锈钢表面没有发现明显的晶粒碎化，但产生高密度的位错和大量的交滑移带。

同时，显微硬度显著提高，随着冲击次数增加，显微硬度也相应增加。

经过4次冲击处理后，表面显微硬度高达3.225 GPa，相比于母材，显微硬度增加了43.33%。

2)激光冲击处理可以显著降低304不锈钢在80℃、3.5%NaCl溶液中应力腐蚀敏感性指标，提高304不锈钢抗应力腐蚀开裂性能。

同时，处理方式对应力腐蚀性能有较大影响，双面冲击处理后应力腐蚀敏感性指标比单面冲击处理要低。

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