采用超聲滾壓工藝對滲碳+淬回火態(tài)20CrNiMo鋼試樣進行表面強化處理，研究了不同靜壓力（700，800，900，1000N）下試樣的表面粗糙度、硬度、殘余壓應(yīng)力分布以及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能。結(jié)果表明：超聲滾壓后，試樣的表面粗糙度明顯降低，且隨著靜壓力的增加呈先降低后增加的趨勢，當靜壓力為900N時，表面粗糙度Ra最低，為0.17μm。超聲滾壓后，試樣的硬度提高，且隨著靜壓力的增加呈升高趨勢。超聲滾壓在試樣表層引入梯度分布的殘余壓應(yīng)力；隨著靜壓力的增加，殘余壓應(yīng)力最大值先增后降，在靜壓力為900N時達到最大，為1128MPa。超聲滾壓后試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命顯著提高，且隨著靜壓力的增加先增后降。當靜壓力為900N時，疲勞壽命最高，達到697.3×104周次，此時疲勞裂紋源為單裂紋源，位于次表層。試樣表層殘余壓應(yīng)力最大值的變化趨勢與疲勞壽命具有高度相關(guān)性，是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素。
01、研究背景
20CrNiMo鋼具有硬度高以及耐磨性、焊接性、可切削性、冷應(yīng)變塑性和韌性良好等特性，一般在調(diào)質(zhì)或滲碳淬火狀態(tài)下使用，廣泛應(yīng)用于海上風電機組、重型礦山裝備、大型艦船等高端裝備齒輪的制造。重載齒輪在使用過程中要承受較大的振動、沖擊和彎曲應(yīng)力，一旦發(fā)生疲勞斷裂，將引發(fā)重大事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失。
通?？刹捎帽砻鏅C械強化的方法來提高金屬構(gòu)件的疲勞性能，常見的強化工藝主要包括機械噴丸、激光噴丸、超聲滾壓、空化水射流、復(fù)合表層改性等。機械噴丸對構(gòu)件殘余壓應(yīng)力和硬度的提高幅度不大，疲勞壽命提高不明顯。空化水射流和激光噴丸可在構(gòu)件表面引入較高的殘余壓應(yīng)力，大幅提高表層的顯微硬度，但是改性層的深度較淺，表面粗糙度過大。復(fù)合表層改性雖然改性效果良好，但是工藝復(fù)雜，成本較高，對工件的形狀有限制。超聲滾壓是一種可同時實現(xiàn)金屬材料表面強化和光整加工的一體化方案，可改善表面完整性，大幅提高構(gòu)件的疲勞性能。超聲滾壓處理技術(shù)在傳統(tǒng)機械滾壓的基礎(chǔ)上加入了超聲振動，構(gòu)件表面承受靜壓力和動態(tài)沖擊的雙重作用；滾壓工具頭以超過20kHz的高頻振動沖擊構(gòu)件表面，使表層材料發(fā)生劇烈塑性變形，從而在表層引入高的硬度場、殘余壓應(yīng)力場以及微細結(jié)構(gòu)場，有效抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，進而大幅提高構(gòu)件的疲勞壽命。但是，超聲滾壓工藝參數(shù)對構(gòu)件表面完整性和構(gòu)件疲勞性能的影響規(guī)律還需要深入探索，表面完整性各指標對疲勞性能的影響機理還不明確。
作者在不同靜壓力下對滲碳+淬回火態(tài)20CrNiMo鋼表面進行超聲滾壓處理，研究了超聲滾壓后表面顯微組織、表面粗糙度、顯微硬度和殘余應(yīng)力分布以及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能，探究了超聲滾壓處理對20CrNiMo鋼疲勞性能影響的機理，以期為長壽命重載齒輪的制造提供試驗參考。
02、研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)重點包括：
1. 試驗材料為20CrNiMo鋼，正火態(tài)，詳細列出其化學成分和力學性能；
2. 試樣制備過程包括截取、滲碳+淬回火處理（930℃滲碳180min，820℃淬火油冷，200℃回火120min）、打磨和清洗；
3. 熱處理后表面為針狀回火馬氏體和少量殘余奧氏體，心部為板條馬氏體和少量鐵素體；
4. 使用超聲滾壓設(shè)備進行表面強化，采用YG6硬質(zhì)合金球沖擊頭，優(yōu)化參數(shù)包括頻率25kHz、轉(zhuǎn)速180r/min等，靜壓力設(shè)4個水平（700-1000N）；
5. 疲勞試驗按GB/T 4337-2015進行旋轉(zhuǎn)彎曲測試，每組重復(fù)5次；
6. 后續(xù)表征包括表面形貌、粗糙度、殘余應(yīng)力（表面及深度方向）、截面硬度和疲勞斷口SEM觀察。
滲碳＋淬回火后試驗鋼表面和心部的顯微組織
2 試驗結(jié)果與討論
本章節(jié)重點：
1. 表面形貌與粗糙度：超聲滾壓有效消除加工刀痕，降低表面粗糙度；靜壓力900N時效果最佳（粗糙度降至0.17 μm），壓力過大（1000N）會導致微裂紋和剝落。
2. 顯微硬度：滾壓后表層硬度顯著提升（最高990HV），隨靜壓力增加而升高，主要因加工硬化和晶粒細化。硬度提高可增強抗疲勞裂紋擴展能力。
3. 殘余應(yīng)力：滾壓后表層形成殘余壓應(yīng)力，900N時最大（1128MPa），壓力過高（1000N）會導致應(yīng)力松弛。殘余壓應(yīng)力能抵消交變載荷拉應(yīng)力，抑制裂紋萌生與擴展。
4. 疲勞壽命：滾壓后疲勞壽命顯著提升（最高達27.2倍），900N靜壓力時壽命最長（697.3×10?周次），與殘余壓應(yīng)力變化趨勢一致，表明殘余壓應(yīng)力是決定因素。
5. 斷口分析：未滾壓試樣為多源表面裂紋；滾壓后裂紋源減少或轉(zhuǎn)移至次表層（尤其800N以上），擴展區(qū)增大，瞬斷區(qū)縮小，反映抗疲勞性能提升。關(guān)鍵結(jié)論：超聲滾壓通過改善表面完整性（降低粗糙度、提高硬度、引入殘余壓應(yīng)力）顯著提升疲勞性能，其中殘余壓應(yīng)力起決定性作用，900N靜壓力為最優(yōu)參數(shù)。
不同靜壓力下超聲滾壓前后試樣的表面形貌
03、研究結(jié)論
（1）滲碳+淬回火處理20CrNiMo鋼試樣經(jīng)超聲滾壓處理后的表面粗糙度明顯降低，加工刀痕變淺；隨著靜壓力的增加，表面粗糙度呈先降低后增加的趨勢，當靜壓力為900N時，表面粗糙度Ra最低，為0.17μm；當靜壓力超過900N后，表面出現(xiàn)少許微裂紋和剝落坑。超聲滾壓后，試樣表層硬度提高，且隨著靜壓力的增加，硬度呈升高趨勢。
（2）超聲滾壓在試樣表層引入梯度分布的殘余壓應(yīng)力，隨著距表面距離的增加，殘余壓應(yīng)力先增加后降低；隨著靜壓力的增加，殘余壓應(yīng)力最大值先增后降，當靜壓力為900N時，殘余壓應(yīng)力最大值最大，為1128MPa。
（3）超聲滾壓后試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命顯著提高；隨著靜壓力的增加，疲勞壽命先增后降，當靜壓力為900N時，疲勞壽命最高，達到697.3×104周次，此時疲勞裂紋源為單裂紋源，且位于次表層；試樣表層殘余壓應(yīng)力最大值的變化趨勢與疲勞壽命具有高度相關(guān)性，是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素。
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