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多數(shù)機(jī)械部件失效源于疲勞破壞，通過表面改性技術(shù)可以改善材料的表面完整性進(jìn)而提升抗疲勞性能，如滲碳熱處理、混合射流強化、激光噴丸強化等。滲碳熱處理通過在材料表面形成高碳含量的硬化層來提升材料的疲勞性能。噴丸會在材料表面引入較大的殘余壓應(yīng)力來提升材料的疲勞性能。與常規(guī)噴丸相比，混合射流強化可降低表面粗糙度并延長疲勞壽命。與激光噴丸相比，混合射流強化的成本較低。

 

當(dāng)前單一表面處理工藝難以滿足齒輪復(fù)雜工況下的使用需求，復(fù)合表面改性技術(shù)通過結(jié)合多種表面改性工藝進(jìn)一步提升材料的疲勞性能。復(fù)合強化可以改變疲勞失效模式來影響疲勞壽命，CHEN X等研究表明，與單一滲碳強化相比，滲碳和激光噴丸復(fù)合強化后疲勞失效的原因從不連續(xù)的刀痕轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部夾雜物，疲勞壽命約為原來的6.25 倍。復(fù)合強化可以通過進(jìn)一步優(yōu)化表層的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而有效延緩疲勞裂紋的萌生進(jìn)程。王剛等研究表明，滲碳和混合射流復(fù)合強化可以引入較深的殘余壓應(yīng)力場，從而改善表面應(yīng)力集中和抑制裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而有效提升18CrNiMo7-6合金鋼的彎曲疲勞壽命。

     

然而表面改性引入的殘余壓應(yīng)力在循環(huán)載荷作用下會發(fā)生松弛，LEGUINAGOICOA N等研究表明，當(dāng)殘余壓應(yīng)力和施加的壓縮應(yīng)力的組合值超過材料的屈服強度時，會發(fā)生殘余壓應(yīng)力松弛。之前大多數(shù)研究在進(jìn)行疲勞失效分析時并沒有考慮殘余應(yīng)力的松弛行為?？紤]殘余應(yīng)力松弛后的疲勞失效分析更加合理，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測疲勞極限。

     

本研究對象為18CrNiMo7-6合金鋼，被廣泛用于制造交通、航空和造船領(lǐng)域的高附加值齒輪部件，對其進(jìn)行滲碳與混合射流復(fù)合強化。對各強化工藝參數(shù)下的試樣進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，研究了各試樣的表面完整性和疲勞性能，并進(jìn)行失效分析，闡明了殘余應(yīng)力與裂紋源深度之間的關(guān)系，為進(jìn)一步優(yōu)化工藝提供了依據(jù)。

 

1試驗材料與方法

 

1.1 試驗材料和試樣的幾何尺寸   

 

本研究所選用的試驗材料為18CrNiMo7-6合金鋼，材料的成分見表1。

試樣的標(biāo)距段直徑為6mm，具體形狀和尺寸如圖1所示。

 

 

 

1.2 試樣表面的改性處理     

 

滲碳熱處理的工藝流程如圖2所示。試樣首先被加熱至900℃，加熱速率為100℃/h，并在碳勢（carbon potential, CP）分別為0.30%、1.15%、0.85%下分別保溫0.7h、3.0h和2.0h，在820℃、碳勢為0.75%下保溫2h，之后在180℃保溫15h，滲碳深度為1000μm。將滲碳試樣記為CHT。   

 

 

 

采用本課題組自主研發(fā)的混合射流噴丸系統(tǒng)對滲碳試樣進(jìn)行處理，該系統(tǒng)由高壓水發(fā)生系統(tǒng)、前混合水射流液壓系統(tǒng)以及運動控制系統(tǒng)組成。復(fù)合強化處理后，為了減少混合射流噴丸過程中可能引起的表面應(yīng)力集中現(xiàn)象，并確保表面形貌的均勻性，試樣表面在混合射流強化后會進(jìn)行高速磨削處理。將滲碳+混合射流噴丸試樣記為WJSP?；旌仙淞鲝娀に噮?shù)見表2，對試樣實現(xiàn)不同程度的表面強化效果。

 

 

 

 

1.3 試驗方法     

 

采用殘余應(yīng)力分析儀（PROTO L-XRD）測量各試樣的殘余應(yīng)力，靶材為鉻靶，電壓為30kV，電流為20mA，圓形光斑直徑為1 mm ，用X 射線檢測鐵素體的（211）晶面（2θ=156.4°，θ為布拉格角）衍射峰。為了獲取試樣的梯度殘余應(yīng)力，使用電解腐蝕剝層儀器（PROTO 8818-V3）進(jìn)行剝層。初始剝層電壓為20V，時間為10s，電解液為氯化鈉溶液，采用直徑為5mm 的圓形噴嘴進(jìn)行電化學(xué)腐蝕剝層，使用千分尺測量每次剝層的深度。

   

采用簡支梁旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機(jī)（QBWP-6000J）按照國標(biāo)GB/T4337-2015 進(jìn)行了疲勞試驗。試驗在室溫條件下進(jìn)行，應(yīng)力比R為-1，頻率為50Hz。根據(jù)先前試驗得出滲碳試樣的疲勞極限為1110.71MPa，為確保試樣均發(fā)生疲勞失效且保證疲勞壽命為104～107，本研究在應(yīng)力幅值為1200MPa下進(jìn)行疲勞試驗。

   

 

采用MTS軸向疲勞試驗系統(tǒng)（MTS 370.25），在室溫下以0.01mm/s 的拉伸速率測試力學(xué)性能。采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）來觀察試樣的顯微組織。使用維氏顯微硬度計（HVW-1000Z）在載荷為4.9 N 和保持時間為10s 時測量試樣的硬度。采用Bruker NPFLEX-1000三維光學(xué)輪廓儀對表面形貌進(jìn)行測量，通過該儀器獲取的干涉條紋數(shù)據(jù)，結(jié)合Vision64 軟件進(jìn)行處理。

 

2結(jié)果與分析

 

2.1 實驗結(jié)果

2.1 表面形貌     

 

18CrNiMo7-6合金鋼最終磨削后表面形貌如圖3所示。原始試樣表面由平行的磨削刀痕組成，平均表面粗糙度Sa為0.35μm。表面呈現(xiàn)出“波峰和波谷”的特征，其中“波谷”會引發(fā)表面應(yīng)力集中，其數(shù)值表示為應(yīng)力集中系數(shù)Kt。 

   

 

根據(jù)文獻(xiàn)，應(yīng)力集中系數(shù)Kt可由H(平均谷深)/D(上谷寬)計算得到：     

 

 

根據(jù)二維輪廓曲線及圖中的等高線數(shù)據(jù)，可以確定每個波峰平均谷深H為1.45μm、上谷寬D的平均值為31μm 。由式（1）和式（2），可以確定表面應(yīng)力集中系數(shù)Kt為1.075。

 

2.2 硬度及拉伸性能     

 

滲碳和復(fù)合強化處理后試樣截面顯微硬度如圖4所示。滲碳試樣表面硬度值為702HV，沿深度方向顯微硬度逐漸降低。復(fù)合處理后的WJSP1-WJSP5 的表面硬度分別為711HV、737HV、767HV、819HV、824HV，混合射流復(fù)合強化試樣的顯微硬度顯著升高，隨著深度的增加，顯微硬度值逐漸降低，最終達(dá)到與滲碳試樣相同的水平?；旌仙淞鲝娀蟊韺硬牧系膭×宜苄宰冃魏臀诲e密度提升可能是試樣硬度提高的原因。     

 

 

 

CHT試樣和不同工藝參數(shù)的WJSP 試樣的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，復(fù)合強化后的力學(xué)性能見表3，表中，σ0.2、Ε、σb、δ分別為試樣的屈服強度、彈性模量、抗拉強度、斷后伸長率。由于混合射流強化影響層較淺，所以強化后試樣的強度提升不明顯。

 

 

 

 

2.3 梯度殘余應(yīng)力       

 

梯度殘余應(yīng)力分布如圖6所示。滲碳試樣的表面產(chǎn)生了293.9MPa的殘余壓應(yīng)力，這是由于滲碳熱處理和高速磨削的影響。復(fù)合強化后，在各工藝參數(shù)下都引入了“對勾”形梯度殘余應(yīng)力場?；旌仙淞鲝娀饕绊懙氖遣牧系谋韺訁^(qū)域，且隨著射流壓力的提升，強化效果也在增加。     

 

 

 

各試樣殘余應(yīng)力場的特征參數(shù)見表4。

 

CHT試樣殘余應(yīng)力最大值為-293.9MPa，WJSP1、WJSP2、WJSP3、WJSP4和WJSP5試樣的最大殘余壓應(yīng)力分別為-1118.4、-1148.5、-1167.1、-1163.8、-1137.8MPa，WJSP試樣最大殘余壓應(yīng)力均獲得較大提升，且最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)的深度隨射流壓力逐級增加。其中WJSP1-WJSP3最大殘余壓應(yīng)力表現(xiàn)為逐漸增大，WJSP3-WJSP5最大殘余壓應(yīng)力逐漸減小?？梢哉J(rèn)為，射流壓力變大時材料表層的塑性變形加劇，材料表面可能受到損傷，從而使表面殘余壓應(yīng)力降低，殘余應(yīng)力分布向下移動，更多的沖擊能量儲存在材料中，導(dǎo)致更深的區(qū)域的最大殘余壓應(yīng)力降低。

 

 

 

2.4 顯微組織表征     

 

CHT試樣與WJSP3、WJSP4試樣的梯度顯微組織如圖7所示，CHT試樣表層為板條馬氏體和碳化物顆粒，這些碳化物是由合金元素與碳元素結(jié)合形成的且由于有一部分沿原奧氏體晶界分布，因此有助于提高材料的耐磨性和硬度。隨著深度增加，馬氏體的形態(tài)和分布略有變化，同樣存在顆粒狀的碳化物。     

 

 

在更深層的位置，馬氏體呈現(xiàn)板條狀。圖像中可觀察到原奧氏體的晶界。在WJSP3、WJSP4試樣表面層觀察到相似的細(xì)長的馬氏體結(jié)構(gòu)且馬氏體板條會更細(xì)小，這是由于受到射流沖擊的擠壓，在馬氏體之間的顆粒狀的碳化物分布更加無規(guī)律性，因此碳化物會更加細(xì)小。

 

 

2.5 疲勞性能   

 

試樣在應(yīng)力幅值為1200MPa 下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命如表5和圖8所示。滲碳試樣疲勞壽命中值為9.12×105；5種復(fù)合強化試樣中值疲勞壽命分別為13.49×105、21.38×105、32.36×105、41.96×105、56.23×105，對各個工藝下疲勞壽命取對數(shù)，該對數(shù)的方差隨射流強度逐漸降低，試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的改善可歸因于復(fù)合強化引起硬度和殘余壓應(yīng)力的進(jìn)一步增加。而且復(fù)合強化后疲勞性能穩(wěn)定性得到改善，這可能是由于殘余壓應(yīng)力的增加會對疲勞性能產(chǎn)生積極影響，殘余壓應(yīng)力能夠抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，使疲勞壽命的穩(wěn)定性提高。

 

 

 

 

 

3討論分析

 

3.1 疲勞斷口分析