摘要
耐候钢作为高强度低合金钢之一，生产成本略高于普碳钢，但是其耐大气腐蚀性能接近不锈钢。随着国民经济现代化，在重载设备、轻量化设计、节能车辆等众多领域，均对钢结构材料提出了高强度、耐腐蚀及低成本等要求，因此，提升耐候钢的力学性能和耐腐蚀性能具有重要的理论意义和工程价值。为了探究表面纳米化对耐候钢的塑性变形及抗腐蚀的影响和机理，选用Q355NH耐候钢为母材，通过改变超音速微粒轰击(Supersonic Fine Particle Bombarding,SFPB)处理时间(15min、30min和45min)，研究表面组织形貌、力学和电化学腐蚀性能，并基于单丸粒喷丸强化有限元模型，利用有限元软件ABAQUS研究喷丸速度(60m/s、80m/s、100m/s和120m/s)和喷丸角度(30°、45°、60°、75°和90°)对金属板材表面残余应力、等效塑性应变及表面粗糙度的影响。研究结果表明： (1)经SFPB的试样表面晶粒尺寸均达到纳米级，随着时间的增加，抗拉强度呈线性增加趋势，同时，延伸率的变化与抗拉强度相反，沿着厚度方向上显微硬度呈梯度分布。未处理试样及处理15min试样断裂方式为韧性断裂，处理30min和45min的试样是以解理断裂为主伴随轻微的韧性断裂。由于金属表面存在大量晶界，进行塑性变形时，晶界不仅会阻碍位错的滑移，同时也会协调应变，使得材料塑韧性改善； (2)电化学测试表明处理试样随着时间的增加耐蚀性先提高后降低，腐蚀速率从小到大依次为15min、未处理、30min、45min。耐候钢表面塑性变形时间较短(15 min)时，有利于钝化膜的快速形成，使得材料耐蚀性提高，随着处理时间的延长(30min和45min)，材料表面粗糙度、微观应变及缺陷密度增加，发生阳极溶解为主的自催化过程，材料表面完整的钝化膜难以形成，腐蚀速率大大加快； (3)丸粒入射速度角度对金属板材残余应力、等效塑性应变及表面粗糙度影响明显。弹丸入射速度与材料表面粗糙度、最大残余压应力和总体残余压应力层深度成正比关系，丸粒入射角度从30°增加到75°时，材料最大残余压应力不断增加，表面粗糙度增幅明显，但是当入射角度大于75°以后，入射角度对残余应力场及表面粗糙度的影响变化不大。综合考虑喷丸角度对残余应力和表面粗糙度两方面的影响，在实际喷丸过程中选择喷丸角度在75°到90°的区间内。 金属材料表面微观结构的改变会对其力学和腐蚀性能产生显著影响，通过合适的表面处理方法，能够有效扩大传统材料的应用范围。本研究对免涂装耐候钢的开发应用提供理论与实验支持，对金属材料表面处理过程中的微观组织设计提供一定的思路。
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