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电脉冲辅助超声波表面滚压改变25CrNi2MoV钢的微观组织和疲劳性能研究
镜面加工 2023-02-16
本文节选自论文《25CrNi2MoV钢的微观组织和疲劳行为  电脉冲辅助超声波表面滚动》(作者:段晨峰、圣官渠、胡雄峰、贾思玉、李小强)。该论文刊载于《国际疲劳杂志》(2022)。 本文采用电脉冲辅助超声波表面滚压(EUSR)工艺对25CrNi2MoV钢进行了表面改性。在材料的表面和亚表面上制备了纳米梯度结构。表面粗糙度明显降低。通过EUSR处理,提高了轴钢的表面硬度、表面残余压应力和抗疲劳性。系统研究了EUSR处理对25CrNi2MoV钢表面性能和疲劳性能的影响。讨论了EUSR处理后试样的疲劳裂纹扩展机理。结果表明,EUSR处理显著增加了硬化层和残余应力层的深度,明显提高了样品的疲劳寿命。
25CrNi2MoV钢是一种新型的高速和重型车辆轴身材料。轴件通常在高温、重载、腐蚀性介质等复杂的工作条件下使用。其中,旋转弯曲疲劳是轴身零件最重要的失效方式之一。疲劳微裂纹在材料表面的形成和扩展是影响材料疲劳寿命的主要因素。如何抑制裂纹的引发和扩展是目前讨论最多的问题之一。因此,迫切需要通过表面改性技术来提高材料的抗疲劳性,延长其使用寿命。
近年来,先进的表面改性技术包括激光喷丸(LSP)、超声波表面滚动(USR)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。其中,制备表面改性层最简单、最有效的方法是物理方法。在以往的研究中,已经证明了通过塑性变形在材料表面制备纳米结构可以提高材料的表面硬度,引入残余应力,增加疲劳寿命。
USR是在将超声波振动引入到加工刀具尖端时施加恒压,并使用滚压前端对材料进行表面改性处理。USR在降低表面粗糙度方面非常好。张等人[13]用USR技术处理17-4PH不锈钢,他指出超声振动能量为晶格缺陷处的位错分布和新位错的形成提供了能量。潘迪等人[14]研究指出,7075铝合金经USR处理后表现出随机的晶体取向,存在大量的位错网络、位错缠结和弹性变形颗粒状,低循环疲劳强度明显提高。德赫泰尔研究了USR对α-Ti疲劳寿命的影响,结果表明,该材料的高循环疲劳性能略有提高,这主要是由于表面粗糙度的降低。尽管USR在降低表面粗糙度方面具有优异的性能。然而,USR改善材料底层晶粒结构的能力还不够。这是因为所提供的能量非常有限。
电脉冲辅助制造技术近年来发展迅速。电脉冲辅助的过程是对材料施加高密度电流,并通过高强度的能量在材料内放置很短时间。当瞬时高密度电流通过材料时,焦耳加热会引起“热效应”。此外,脉冲电流将会加速了位错的运动,降低了位错通过缺陷的阻力,提高了塑性这种效应被称为“电塑性”。
冈崎等人报道了在脉冲电流的作用下,即使在室温下,Ti中的位错运动速度也显著加快。朱等人研究了ZA22合金的电辅助拉伸行为,发现电脉冲处理后材料的伸长率比原材料处理提高了437%。这主要是由于位错运动的加速和可移动位错密度的增加。研究表明,电脉冲可以降低材料的抗变形性能,提高纳米层的厚度和力学性能。张等人研究了电脉冲辅助激光冲击对Ti64合金的影响,发现与连续电流相比,脉冲电流更有效地降低了Ti64合金的流动应力,得到了更深的晶粒细化层。目前的许多研究只涉及电脉冲辅助超声表面滚压(EUSR)处理对材料内部结构的影响,而对电脉冲对材料疲劳行为的影响仍缺乏深入的研究。
本研究采用EUSR工艺对25CrNi2MoV钢进行了表面改性。本研究旨在研究晶粒细化层对EUSR处理后疲劳性能的影响。详细讨论了电脉冲对材料硬度、表面粗糙度和残余应力的影响。阐明了EUSR处理后试样塑性变形层中疲劳裂纹扩展的机理。它为25CrNi2MoV钢在工程实践中的强度增强提供了有用的信息。

2. 材料和方法

2.1. 材料

​25CrNi2MoV钢是一种用于高速重载车辆变速箱传动轴的新型钢材料。化学成分25CrNi2MoV钢的位置如表1所示。为了获得未经处理的试样(UT),在850℃下对接收材料进行奥氏体化0.5h, 然后用油淬火,并在200℃回火。UT试样的抗拉强度为1583MPa,屈服强度为1308MPa。在进行表面处理时,将试样加工成直径为9mm、长度为200mm的圆棒试样。

​2.2. EUSR实验

EUSR过程见图1。使用脉冲电源(WSM-400 T)对试样施加电脉冲。超声波振动由超声波发生器(9159金沙申请大厅豪克能 HK30G)提供。在实验中,实验参数由计算机控制。滚动线速度V17 m/min,进料速率为V21.2 mm/min。超声波振动频率为27 kHz,USR静压为1000N,试样表面加工7次。由于超声波设备与试样之间需要绝缘,本实验中使用的滚压尖端为直径为9 mm,硬度为78 HRC的氮化硅球。测试参数见表2.采用美孚600XP150润滑油实现润滑。

EUSR处理原理图​

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