[发明专利]不锈钢预应力磨削表面残余应力及马氏体含量计算方法

说明书

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种不锈钢预应力磨削表面残余应力及马氏体含量计算方法。本发明提出一种采用有限元软件的方法来计算预应力磨削后表面残余应力和马氏体含量，综合考虑了预应力磨削中的砂轮特性、加工工艺和不锈钢的材料特性，并且在预测计算残余应力时考虑了马氏体相变的影响。通过本发明所提供的方法可以实现对预应力磨削后不锈钢材料表面的残余应力以及表面层马氏体含量的预测，进而从表面残余应力、马氏体含量两个影响奥氏体不锈钢SCC的极为重要的方面来判断所使用的预应力磨削参数组合是否合理，从而省去了繁杂的实验过程，节省了资源。

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种不锈钢预应力磨削表面残余应力及马氏体含量计算方法。

背景技术

现有评价奥氏体不锈钢磨削表面SCC(应力腐蚀开裂)抗性的方法，多是从实验角度入手的，通过应力腐蚀实验来进行定性评价不同磨削参数下奥氏体不锈钢磨削表面的SCC抗性。实验方案主要是，首先使用不同的磨削参数对奥氏体不锈钢材料(如304L)进行磨削，然后将所得到的磨削工件依据ASTM G36标准长时间(一般长达20余小时)浸泡在沸腾的氯化镁中腐蚀后取出，使用SEM以及EBSD检测磨削表面SCC行为，根据SEM和EBSD显微镜下的SCC开裂结果来反映磨削参数对奥氏体不锈钢磨削表面SCC抗性的影响。研究表明表面残余应力和表面相组织含量对磨削表面SCC抗性有很大影响，因此可以作为评价磨削表面SCC抗性的重要依据。

目前表面SCC抗性评价方法中存在以下缺陷：从实验角度出发评价磨削后表面SCC抗性的步骤包括：(1)需要获得对奥氏体不锈钢进行表面磨削，(2)长时间浸泡在腐蚀液中，(3)使用显微镜的方式进行检测。这样做(1)会耗费大量物料成本、时间成本、以及设备损耗成本；(2)操作大型的加工实验设备及腐蚀性的实验具有一定的危险性；(3)由于得出的结论是定性的，若想准确知道某几组参数对SCC抗性的影响需要针对这几组参数单独进行实验，这样，对实际加工过程的指导意义有限。即使知道了磨削参数对表面SCC抗性的影响趋势也无法准确把控。

目前从定量角度评价表面经过磨削加工后的抗SCC性能方法目前属于技术空白。而少见的从定量计算角度评价机械加工表面SCC抗性的方法是用于评价切削加工后奥氏体不锈钢SCC抗性的。方法的技术流程主要是首先搭建了切削加工中的切削力模型，并以切削力为输入计算了切削加工后奥氏体不锈钢表面的残余应力、马氏体含量等参数，用于反映切削加工后的奥氏体不锈钢表面SCC抗性。但是从加工方式上来说，切削加工与磨削加工有本质上的区别。因此，该方法不适用于为提升磨削表面奥氏体不锈钢表面SCC抗性提供参考。

奥氏体不锈钢(SS)是一种具有出色耐蚀性和机械性能的金属材料，广泛应用于化工厂和核电站。为了使不锈钢材料达到使用时的尺寸精度要求，表面加工操作是必不可少的制造过程。然而，这可能会增加机加工表面应力腐蚀裂纹(SCC)的敏感性。SCC的存在会减少SS的有效承载面积，并导致灾难性的失效。许多研究致力于揭示SCC机理，目前学术界普遍接受的结论是，SCC是由三个因素协同作用的结果，即：易受影响的微观结构、腐蚀环境和拉伸应力的存在。机械加工表面产生的塑性变形常常会引起拉伸残余应力、微观结构变化(包括相变、位错和滑移带的形成等)和表面形貌变化的发生风险。因此，机械加工表面的力学及理化性质对SCC敏感性有着至关重要的影响。

为了降低加工表面的SCC敏感性，通常在不锈钢表面机械加工完成后再应用常规喷丸、激光喷丸等技术达到强化表面的目的。喷丸技术作为表面加工后引入的工序，尽管具有一定的改善SCC敏感性的特性，但是新工序的引入仍然带来了多余的能量耗散。

在磨削加工不锈钢零件时，磨削是一种重要且应用广泛的表面精加工工艺，对表面质量具有决定性影响。作为一种改进的磨削工艺，预应力磨削不仅包括磨削的所有特性，而且具有改善表面残余应力、改善表面形貌和细化晶粒的特点，这些都是抑制SCC的优点。如果在磨削不锈钢时采用预应力磨削的手段，则可以通过调整磨削参数获得较高的抗SCC性能，经过预应力磨削的工件不必再进行表面强化过程，使得工艺简化，节省能源与资源消耗，这符合绿色制造的理念。