本文節(jié)選自論文《25CrNi2MoV鋼的微觀組織和疲勞行為 電脈沖輔助超聲波表面滾動(dòng)》（作者：段晨峰、圣官渠、胡雄峰、賈思玉、李小強(qiáng)）。該論文刊載于《國(guó)際疲勞雜志》（2022）。 本文采用電脈沖輔助超聲波表面滾壓（EUSR）工藝對(duì)25CrNi2MoV鋼進(jìn)行了表面改性。在材料的表面和亞表面上制備了納米梯度結(jié)構(gòu)。表面粗糙度明顯降低。通過(guò)EUSR處理，提高了軸鋼的表面硬度、表面殘余壓應(yīng)力和抗疲勞性。系統(tǒng)研究了EUSR處理對(duì)25CrNi2MoV鋼表面性能和疲勞性能的影響。討論了EUSR處理后試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理。結(jié)果表明，EUSR處理顯著增加了硬化層和殘余應(yīng)力層的深度，明顯提高了樣品的疲勞壽命。
25CrNi2MoV鋼是一種新型的高速和重型車(chē)輛軸身材料。軸件通常在高溫、重載、腐蝕性介質(zhì)等復(fù)雜的工作條件下使用。其中，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞是軸身零件最重要的失效方式之一。疲勞微裂紋在材料表面的形成和擴(kuò)展是影響材料疲勞壽命的主要因素。如何抑制裂紋的引發(fā)和擴(kuò)展是目前討論最多的問(wèn)題之一。因此，迫切需要通過(guò)表面改性技術(shù)來(lái)提高材料的抗疲勞性，延長(zhǎng)其使用壽命。
近年來(lái)，先進(jìn)的表面改性技術(shù)包括激光噴丸（LSP）、超聲波表面滾動(dòng)（USR）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。其中，制備表面改性層最簡(jiǎn)單、最有效的方法是物理方法。在以往的研究中，已經(jīng)證明了通過(guò)塑性變形在材料表面制備納米結(jié)構(gòu)可以提高材料的表面硬度，引入殘余應(yīng)力，增加疲勞壽命。
USR是在將超聲波振動(dòng)引入到加工刀具尖端時(shí)施加恒壓，并使用滾壓前端對(duì)材料進(jìn)行表面改性處理。USR在降低表面粗糙度方面非常好。張等人[13]用USR技術(shù)處理17-4PH不銹鋼，他指出超聲振動(dòng)能量為晶格缺陷處的位錯(cuò)分布和新位錯(cuò)的形成提供了能量。潘迪等人[14]研究指出，7075鋁合金經(jīng)USR處理后表現(xiàn)出隨機(jī)的晶體取向，存在大量的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)、位錯(cuò)纏結(jié)和彈性變形顆粒狀，低循環(huán)疲勞強(qiáng)度明顯提高。德赫泰爾研究了USR對(duì)α-Ti疲勞壽命的影響，結(jié)果表明，該材料的高循環(huán)疲勞性能略有提高，這主要是由于表面粗糙度的降低。盡管USR在降低表面粗糙度方面具有優(yōu)異的性能。然而，USR改善材料底層晶粒結(jié)構(gòu)的能力還不夠。這是因?yàn)樗峁┑哪芰糠浅Ｓ邢蕖?/section>
電脈沖輔助制造技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速。電脈沖輔助的過(guò)程是對(duì)材料施加高密度電流，并通過(guò)高強(qiáng)度的能量在材料內(nèi)放置很短時(shí)間。當(dāng)瞬時(shí)高密度電流通過(guò)材料時(shí)，焦耳加熱會(huì)引起“熱效應(yīng)”。此外，脈沖電流將會(huì)加速了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，降低了位錯(cuò)通過(guò)缺陷的阻力，提高了塑性這種效應(yīng)被稱(chēng)為“電塑性”。
岡崎等人報(bào)道了在脈沖電流的作用下，即使在室溫下，Ti中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度也顯著加快。朱等人研究了ZA22合金的電輔助拉伸行為，發(fā)現(xiàn)電脈沖處理后材料的伸長(zhǎng)率比原材料處理提高了437%。這主要是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的加速和可移動(dòng)位錯(cuò)密度的增加。研究表明，電脈沖可以降低材料的抗變形性能，提高納米層的厚度和力學(xué)性能。張等人研究了電脈沖輔助激光沖擊對(duì)Ti64合金的影響，發(fā)現(xiàn)與連續(xù)電流相比，脈沖電流更有效地降低了Ti64合金的流動(dòng)應(yīng)力，得到了更深的晶粒細(xì)化層。目前的許多研究只涉及電脈沖輔助超聲表面滾壓（EUSR）處理對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，而對(duì)電脈沖對(duì)材料疲勞行為的影響仍缺乏深入的研究。
本研究采用EUSR工藝對(duì)25CrNi2MoV鋼進(jìn)行了表面改性。本研究旨在研究晶粒細(xì)化層對(duì)EUSR處理后疲勞性能的影響。詳細(xì)討論了電脈沖對(duì)材料硬度、表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響。闡明了EUSR處理后試樣塑性變形層中疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。它為25CrNi2MoV鋼在工程實(shí)踐中的強(qiáng)度增強(qiáng)提供了有用的信息。
2. 材料和方法
2.1. 材料
?25CrNi2MoV鋼是一種用于高速重載車(chē)輛變速箱傳動(dòng)軸的新型鋼材料。化學(xué)成分25CrNi2MoV鋼的位置如表1所示。為了獲得未經(jīng)處理的試樣（UT），在850℃下對(duì)接收材料進(jìn)行奧氏體化0.5h， 然后用油淬火，并在200℃回火。UT試樣的抗拉強(qiáng)度為1583MPa，屈服強(qiáng)度為1308MPa。在進(jìn)行表面處理時(shí)，將試樣加工成直徑為9mm、長(zhǎng)度為200mm的圓棒試樣。
?2.2. EUSR實(shí)驗(yàn)
EUSR過(guò)程見(jiàn)圖1。使用脈沖電源（WSM-400 T）對(duì)試樣施加電脈沖。超聲波振動(dòng)由超聲波發(fā)生器（華云豪克能 HK30G）提供。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)由計(jì)算機(jī)控制。滾動(dòng)線速度V17 m/min，進(jìn)料速率為V21.2 mm/min。超聲波振動(dòng)頻率為27 kHz，USR靜壓為1000N，試樣表面加工7次。由于超聲波設(shè)備與試樣之間需要絕緣，本實(shí)驗(yàn)中使用的滾壓尖端為直徑為9 mm，硬度為78 HRC的氮化硅球。測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2.采用美孚600XP150潤(rùn)滑油實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。
EUSR處理原理圖?
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