EA4T車軸鋼的超聲沖擊表面強(qiáng)化

梁 晨，覃作祥，陸 興

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車軸是承受機(jī)車車輛質(zhì)量的關(guān)鍵部件，在運(yùn)行中要承受靜載荷、動(dòng)載荷和制動(dòng)附加載荷的作用，失效的主要形式是疲勞破壞［1］.近年來，隨著鐵路的高速化和重載化，車軸的疲勞破壞日益嚴(yán)重，對(duì)行車的安全性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).疲勞損傷［2］往往發(fā)生在表面或從表面開始，然后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展并最終導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件失效，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患.因此，可以通過改變表面晶粒的結(jié)構(gòu)、硬度或殘余應(yīng)力來提高表面性能，從而減少或延緩車軸的失效，對(duì)保證軌道交通的順暢通行有積極意義.

目前在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用表面強(qiáng)化技術(shù)來提高車軸鋼表面性能，主要有噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化和感應(yīng)淬火等［3-7］，這些方法取得了良好的強(qiáng)化效果，但也存在著一些局限性，如設(shè)備龐大，效率低，污染大，處理效果還沒有達(dá)到人們的預(yù)期［8］.超聲沖擊技術(shù)［9］作為一種有效的表面強(qiáng)化方法，可以使金屬表面產(chǎn)生彈塑性變形，晶粒減小，硬度增加，同時(shí)改變表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能;并且超聲沖擊設(shè)備體積小質(zhì)量輕，噪聲小污染少，成本低耗能少;超聲沖擊處理具有速度快，強(qiáng)化層較深，可以引入較大的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)不受工件形狀限制，還可以與其它設(shè)備組成生產(chǎn)線等優(yōu)特點(diǎn)，故可把超聲沖擊技術(shù)應(yīng)用于車軸鋼的表面強(qiáng)化上，提高其綜合力學(xué)性能.本文主要研究了超聲沖擊處理后EA4T車軸鋼顯微組織及硬度的變化.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)的EA4T車軸鋼，化學(xué)成分見表1.車軸鋼需經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，得到均勻的回火索氏體組織，然后將超聲沖擊強(qiáng)化后的工件切成尺寸為Φ15 mm×10 mm圓柱狀試樣，經(jīng)過磨制和拋光，最后用4% 硝酸酒精溶液浸蝕.在VHX-1000超景深三維顯微系統(tǒng)下觀察顯微組織，試樣沿橫截面硬度的分布在FM-2000維氏顯微硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)量，用Leica DCM 3D共聚焦顯微鏡測(cè)試了試樣表面的粗糙度，利用JEM-2100F場(chǎng)發(fā)射透射電鏡觀察試樣的最表層組織，工作電壓為200 kV，在離子減薄儀上減薄.

表1 EA4T車軸鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

車軸鋼被裝夾在車床主軸上，用超聲沖擊頭對(duì)試樣表面完成強(qiáng)化.試驗(yàn)參數(shù)選擇為:沖擊頻率為20 kHz，工件轉(zhuǎn)速為820 r/min，沖擊3次，功率分別選取120、150和180 W進(jìn)行試驗(yàn)，其它工藝參數(shù)不變，觀察強(qiáng)化后的試樣表面強(qiáng)化效果.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面粗糙度分析

試樣經(jīng)過超聲沖擊處理后，表面發(fā)生了明顯變化，如圖1所示.從圖中看到了明顯的分界線，其中左側(cè)是未處理工件的表面，右側(cè)是經(jīng)過強(qiáng)化后的表面，可以發(fā)現(xiàn)右側(cè)部分光澤更好，表面很光滑.

圖1 EA4T車軸鋼超聲沖擊處理前后表面狀態(tài)對(duì)比照片

圖2為在不同功率下試樣表面粗糙度的變化圖，其中粗糙度值是在試樣不同位置測(cè)量后的平均值，在120、150、180W三個(gè)功率下粗糙度值分別為3.87、0.71、0.58 和0.51μm.與未處理試樣相比，超聲沖擊強(qiáng)化后的試樣表面粗糙度顯著降低，最多大約減小了6.5倍;隨著沖擊功率的增加，表面粗糙度逐漸下降.這是因?yàn)樵诠ぞ哳^的高速撞擊作用下，試樣表面產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，波峰波谷之間的差距越來越小，使得試樣表面粗糙度減小.

圖2 超聲沖擊功率與表面粗糙度關(guān)系

2.2 金相組織

將強(qiáng)化后的工件沿縱向剖開，在VHX-1000超景深三維顯微系統(tǒng)下觀察經(jīng)不同功率處理后試樣橫截面金相組織，如圖3所示.由圖3(a)可看出，未經(jīng)超聲沖擊處理的試樣為回火索氏體組織，細(xì)粒狀的滲碳體彌散分布在鐵素體基體上，組織較均勻.

圖3 不同功率沖擊下所得到的試樣橫截面金相組織

車軸鋼經(jīng)超聲沖擊處理后，試樣表面附近發(fā)生了劇烈的塑性變形，表層組織已經(jīng)模糊不清，在金相顯微鏡下難以分辨，晶粒明顯細(xì)化;并且隨著深度的增加，變形量逐漸減小，變形沿著同一個(gè)方向，依次分為劇烈變形層、過渡層和基體，且變形區(qū)與基體沒有明顯界限.隨著沖擊功率的增大，變形層厚度增加，晶粒內(nèi)的變形越來越劇烈，晶粒伸長(zhǎng)量增大，并向心部擴(kuò)展;根據(jù)晶粒變形取向的不同，可大致估算出試樣經(jīng)超聲沖擊處理后的變形層厚度.圖4為變形層厚度隨沖擊功率變化曲線，在120、150、180 W三個(gè)功率作用下沖擊產(chǎn)生的變形層厚度分別為40、70和80 μm.變形層的厚度隨沖擊功率的提高單調(diào)增加，因?yàn)楣β试礁?，單位時(shí)間內(nèi)輸入試樣表面的能量就越多，變形就越明顯;功率較小時(shí)變形層厚度增加迅速，隨著功率的逐漸增加，變形層的厚度增加漸漸減慢，這是由于隨著試樣表面強(qiáng)化的不斷進(jìn)行，晶粒逐漸變小，晶界變多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形的難度增加，變形層厚度增加減慢.

圖4 變形層厚度與功率的關(guān)系

2.3 TEM 分析

圖5為EA4T車軸鋼在功率180 W作用下試樣的表層的TEM暗場(chǎng)像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣.圖5(a)可見，經(jīng)過超聲沖擊處理后樣品的最表層已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S狀納米晶，晶粒尺寸為40～50 nm，選區(qū)電子衍射花樣表明納米晶的取向呈隨機(jī)分布(圖5(b)).

圖5 試樣表層的TEM暗場(chǎng)像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣

2.4 顯微硬度

圖6為試樣在不同功率作用下橫截面的顯微硬度沿厚度方向的變化，EA4T車軸鋼基體的硬度約為310 HV，經(jīng)過超聲沖擊處理后試樣發(fā)生加工硬化，表面硬度顯著增加，達(dá)到343、378和390 HV，與基體相比，分別提高了11%、22%和25%.隨距表面深度增加時(shí)，試樣的硬度逐漸減小，最后硬度漸漸趨于穩(wěn)定值，試樣的硬度是呈梯度變化的.隨著沖擊功率的增大，試樣表面硬度不斷增大，且硬化層的厚度持續(xù)增加，在一定深度范圍內(nèi)，試樣的硬度是隨著超聲沖擊功率的增加而增大的.

由試樣顯微硬度變化規(guī)律看出，可以將試樣表面分成三個(gè)區(qū)域，即硬度快速下降區(qū)、硬度緩慢下降區(qū)和硬度穩(wěn)定區(qū)，它們與金相組織觀察到的三個(gè)區(qū)域劇烈變形層、過渡層和基體相對(duì)應(yīng).在三個(gè)功率作用下，硬化層厚度分別為40、70和80μm，這與試樣的顯微組織測(cè)量的變形層厚度變化規(guī)律一致.

圖6 不同功率下試樣顯微硬度沿厚度方向的變化

2.5 表面硬度提高機(jī)理

在材料的內(nèi)部，通常變形分為位錯(cuò)滑移和機(jī)械孿生兩種方式，究竟采取哪種變形方式主要取決于材料的層錯(cuò)能，因此具有不同層錯(cuò)能材料的變形方式和變形組織存在著一定的差異.本實(shí)驗(yàn)中，EA4T車軸鋼屬于中高層錯(cuò)能金屬，塑性變形方式主要通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，試樣表面首先在工具頭的重復(fù)作用下，產(chǎn)生了大量位錯(cuò)，并通過滑移、累積、交互作用、湮滅和重排等形成了位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)，這些位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)將原始晶粒分割成尺寸較小的位錯(cuò)胞;隨著應(yīng)變的增加，位錯(cuò)密度不斷增大，為了降低系統(tǒng)的能量，高密度位錯(cuò)會(huì)在位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)附近發(fā)生湮滅和重排，使得位錯(cuò)墻和位錯(cuò)纏結(jié)發(fā)展成亞晶界.亞晶界的形成降低了位錯(cuò)的密度，使得晶粒尺寸明顯減小.隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，碎化亞晶界或晶粒的內(nèi)部的進(jìn)一步碎化仍將沿用同樣的機(jī)理，只是這種碎化發(fā)生在更小的尺度范圍內(nèi).晶界兩側(cè)取向差不斷增大，晶粒取向逐漸趨于隨機(jī)分布(圖7).同時(shí)，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)時(shí)相互交割加劇，一方面增加了位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，另一方面產(chǎn)生了固定割階、位錯(cuò)纏結(jié)等障礙，這些都會(huì)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，引起變形抗力增加，要想使金屬進(jìn)一步塑性變形，就必須增大外力，于是就提高了金屬的強(qiáng)度［10］.

除此之外，在一定深度范圍內(nèi)，材料的硬度是存在梯度的，即隨著距離表面深度的增加，晶粒逐漸變細(xì)，表面的硬度逐漸減小.在傳統(tǒng)金屬材料中存在著一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，反映了材料硬度與晶粒尺寸的變化規(guī)律，就是Hall-Petch經(jīng)驗(yàn)公式:

其中:HV為硬度;d為晶粒直徑;H0，K為常數(shù);對(duì)于普通多晶體材料K為正值.由Hall-Petch經(jīng)驗(yàn)公式可知隨著晶粒尺寸的減小材料的硬度提高.

因此，可以把車軸鋼表面硬度的提高歸結(jié)為 晶粒細(xì)化和加工硬化的共同作用的結(jié)果.

圖7 超聲沖擊強(qiáng)化原理圖

3 結(jié)論

(1)車軸鋼經(jīng)超聲沖擊處理后，表面發(fā)生了劇烈的塑性變形，晶粒明顯細(xì)化，顯微硬度呈梯度化，隨著距表面深度的增加，變形量逐漸減小，依次分為劇烈變形層、過渡層和基體，變形區(qū)與基體沒有明顯界限;

(2)隨著超聲沖擊功率的增加，變形層厚度增大，表面粗糙度減小，表面硬度提高，與基體未經(jīng)超聲沖擊處理的試樣相比，在功率180 W作用下，試樣的表面硬度提高了25%，表面粗糙度降低了6.5倍，變形層厚度大約為80 μm，試樣最表層已轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S狀納米晶，晶粒尺寸為40～50 nm;

(3)車軸鋼表面硬度的提高是晶粒細(xì)化和加工硬化共同作用的結(jié)果.

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