Microstructured Surface Layer Induced by Shot Peening and its Effect on Fatigue Strength

Abstract

The shot peening process in normal conditions produces a compressive residual stress on the surface of a material without phase transformation. But, the shot peening process produces a phase transformation(e.g., nanoferrite-phase and metal flow layer) on the surface of carbon steel under the intensified peening conditions of higher peening velocity and the use of a high-hardness shot media. Previously, we reported that the fatigue strength of springs having a nanocrystalline phase were higher than without nanocrystalline phase. This study investigates the microstructural surface layer induced by shot peening and its effect on fatigue strength. The test specimens were compressive coil springs made of oil-tempered wire. The test springs were manufactured by the same process except for the shot peening time. The shot peening time was varied as 100, 300, 500, 1000, 2000, 3000, 6000 s. Shot media was steel cut wire of diameter 0.25 mm. Surface roughness and residual stress distribution were measured. Microstructures were observed with an optical microscope and a scanning electron microscope. And, fatigue tests were carried out by using a spring fatigue test machine. The experimental values of the residual stress distribution and the surface roughness s are almost the same for 300-6000. The spring shot-peened for 300 s consists of the matrix phase and the surface metal flow phase. The spring shot-peened for 1000 s contains the white layer on a part of the surface. For the shot-peened time greater than 3000 s, the white layer almost covered full of surface. The fatigue strength increased with peening time until 1000 s. For the specimens shot-peened for more than 1000 s, the fatigue strength remained at a constant level.

Recent Trends of Fatigue Research

“…Liu ら 39) は，投射粒子寸法が小さいほど処理時のひずみ 速度が高いため，低炭素鋼の結晶粒を微細させる効果が 高いことを明らかにしている．森田 26) は，被処理材に付 与される運動エネルギの深さ方向分布の観点から，FPP による微視組織の改質の有効性について言及している． 著者ら 44) も，同一の投射エネルギ条件(450 J)のもとで FPP およびショットピーニングを施し，結晶粒微細化効 果における FPP の優位性を実験的に明らかにしている． 図 2 は，種々の条件で処理を施した工業用純鉄の結晶粒 径の測定結果であり，投射エネルギが同一であれば FPP 材の結晶粒はショットピーニング材と比較して微細な ことがわかる．さらに同図から，単位衝突面積あたりの 粒子の総運動エネルギの増加に伴い，被処理材の結晶粒 が微細になる傾向が認められる．このことから，FPP の 場合には，投射粒子の有する運動エネルギが被処理面近 傍に集中的に投入されるため，材料の結晶粒を微細化さ せる効果が高いとされている． 図 3 は FPP により形成された微細結晶粒の観察結果の 一例であり，エネルギおよび角度選択性を有する反射電 子検出器を用いて SCM435H 鋼の縦断面を高分解能 FE-SEM(Carl Zeiss Ultra55)により観察した結果 45) であ る．FPP 処理面近傍では基材が折り重なっている様相を 呈し(図 3(a)) ，とくに基材が折り重なった部位の近傍に は極めて微細な結晶粒が形成されていることがわかる (図 3(b)) ．高木ら 19),21),38) ，森田ら 49),50) ，亀山ら 7) は， 断続的な粒子の衝突により形成された基材表面の凹凸 が繰返し折畳まれることに起因して，特異な組織が形成 されることを報告している．また，図 3 に示した微細結 晶粒は， 従来のショットピーニング 36), 37) と比較して極め て短時間(10 s)で形成することができる．このことも， 前述の粒子の小径化に伴う総運動エネルギの増加に起 因していると考えられている． 図 2 単位衝突面積における投射粒子の総運動エネルギ と結晶粒径の関係 図 3 FPP により形成される微細結晶粒 3 微粒子ピーニング処理条件と疲労特性の関係 実部品に FPP を適用する際には，適切な処理条件を選 定する必要がある．FPP 処理条件は主に 2 種類に大別さ れ，投射圧力 31),43),50)-52) ，投射時間 36),37),43) ，投射角度 53) ， 投射距離 30) 等のように処理装置環境に関わるもの，また， 投射粒子寸法 31),32),39),44),50),54),55) ，投射粒子硬さ 56)-61) ，被 処理材硬さ 49),59…”

Passivity of Spring Steels with Compressive Residual Stress

“…Coil springs for automobile suspension usually suffer corrosion fatigue [1][2][3][4][5][6][7] or fatigue [8][9][10][11][12][13][14][15]. Shot peening, proper design of alloy composition, and heat treatment are known to improve the resistance to fatigue [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. Commercial coil springs are usually shot-peened.…”

“…Shot peening provides compressive residual stress on the surface, and hence suppresses the crack growth under tensile stress during operation [1,2,4,6,7,11]. The effects of residual stress on the mechanical properties, which include fatigue and corrosion fatigue, have been extensively studied by many researchers [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. However, little is known about the corrosion behavior of surfaces with residual stress.…”

Microstructural Change Induced by Fine Particle Peening and Its Effect on Elemental Diffusion

“…Shot peening, which produces a surface-hardened layer and introduces compressive residual stress, is a popular surface modification process. This process is mainly used to improve the fatigue strength of machine and structural components [1][2][3][4][5].…”