表面超聲滾壓加工對(duì)配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸材料滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響

馬夢(mèng)陽，李小強(qiáng)，賴福強(qiáng)，胡雄風(fēng)，魏濤3,4，屈盛官

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州，510640；2.國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，廣東廣州，510640；3.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊，261061；4.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊，261061)

隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)高速化、高功率的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化程度也不斷加強(qiáng)，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)零件之間的接觸應(yīng)力不斷增加。配氣凸輪軸作為配氣機(jī)構(gòu)的核心部件，其性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、可靠性及工作壽命有直接影響[1]。在實(shí)際工況下，在凸輪軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，凸輪表面與挺柱端部循環(huán)交變的壓應(yīng)力作用導(dǎo)致凸輪表面產(chǎn)生裂紋，且持續(xù)作用的交變應(yīng)力使凸輪表面產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致凸輪主要的失效形式即接觸疲勞失效，即因接觸應(yīng)力的反復(fù)作用而產(chǎn)生麻點(diǎn)、剝落等[2]。疲勞失效是一種典型的失效方式，其機(jī)理已經(jīng)廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造行業(yè)包括汽車行業(yè)中的關(guān)鍵零部件上，以提高其性能及使用壽命，為此，必須研究凸輪的疲勞行為及其增強(qiáng)機(jī)理[3]。疲勞損傷受多種因素如凸輪表面質(zhì)量、潤滑條件、接觸副材料表面硬度、機(jī)械性能等的影響[4-7]，其中，凸輪表面質(zhì)量是影響其疲勞行為的最主要因素之一，為此，國內(nèi)外研究者對(duì)凸輪材料的表面強(qiáng)化工藝如表面超聲滾壓加工(SURP)、噴丸、表面鍍層等進(jìn)行了研究[8-10]。SURP 作為一種較成熟的表面強(qiáng)化工藝，廣泛用于提高金屬制件的表面性能[11-13]。張飛等[14]討論了多種SURP 參數(shù)包括靜壓力、振幅、進(jìn)給速度等對(duì)45 號(hào)鋼表面性能的影響機(jī)理，并對(duì)比了不同參數(shù)SURP下材料的摩擦磨損行為。WANG等[15]將SURP運(yùn)用于40Cr合金鋼表面強(qiáng)化，發(fā)現(xiàn)在SURP之后材料表面粗糙度及摩擦因數(shù)明顯降低，耐磨及抗疲勞性能顯著提升。LAI 等[16]通過研究SURP 對(duì)23-8N 引擎氣門鋼疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)SURP引起的材料表層殘余壓應(yīng)力提高、晶粒細(xì)化及加工硬化的綜合作用可有效強(qiáng)化其抗磨損性能及疲勞強(qiáng)度。中碳鋼作為一種典型高使用性能、高經(jīng)濟(jì)性的凸輪軸材料，受到廣大發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商的青睞，被大量用于制作發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的凸輪軸。由于傳統(tǒng)的凸輪軸未經(jīng)過特殊表面處理，在高強(qiáng)度交變應(yīng)力下，疲勞抗性不足，大大影響了凸輪軸乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，因此，必須對(duì)凸輪材料表面進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化處理，以滿足汽車行業(yè)日益增長的需求。本文作者研究SURP對(duì)配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸材料顯微組織及疲勞行為的影響機(jī)理，并討論強(qiáng)化表面的裂紋擴(kuò)展及疲勞損壞形式，最終針對(duì)凸輪軸材料給出最優(yōu)的SURP工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用的凸輪軸材料C53鋼化學(xué)組成如表1所示。原材料是直徑為80 mm的擠壓型棒狀材料，試樣是直徑×高為45 mm×6 mm 的圓盤，直接由棒狀原材料上線切割得到。先將盤狀試樣放入加熱溫度為800 ℃的熱處理爐中保溫1 h，隨后以水為介質(zhì)進(jìn)行淬火。淬火處理之后，再將試樣在150 ℃下保溫2 h，最后取出使其空冷至室溫。熱處理方案如圖1所示。熱處理后，材料表面硬度(HRC)為49.7±1.2，抗拉強(qiáng)度為716 MPa，屈服強(qiáng)度為431 MPa。

表1 凸輪軸材料化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Chemical composition of camshaft material(mass fraction)%

圖1 試樣熱處理方案Fig.1 Heat treatment scheme of samples

試樣經(jīng)過熱處理后，精磨表面去除脫碳層，再用酒精振動(dòng)洗凈吹干后即可用于后續(xù)的SURP及滾動(dòng)接觸疲勞測試。在油潤滑條件下，試樣在自制超聲滾壓平臺(tái)上進(jìn)行加工。該設(shè)備主要由車床部分和超聲振動(dòng)設(shè)備2部分組成，試樣加工示意圖如圖2所示。

圖2 SURP工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of SURP treatment

在加工過程中，滾壓靜壓力垂直于工件表面，通過控制氣壓，由滾動(dòng)球頭傳遞到試樣表面；超聲振動(dòng)設(shè)備的可調(diào)振頻范圍為20～30 kHz，振幅范圍為5～15 μm。本試驗(yàn)中，SURP 參數(shù)如表2所示。

表2 SURP參數(shù)Table2 SURP parameters

試樣經(jīng)過SURP 后，采用MARSURF-M300C粗糙度儀測量試樣表面粗糙度。采用SCTMCHV50維氏顯微硬度儀對(duì)試樣截面硬度分布進(jìn)行測試，試驗(yàn)載荷為200 g，保壓時(shí)間為15 s。試樣滾壓面及截面用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，采用LEICA-M165C光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣表面及截面微觀組織進(jìn)行觀察。采用PROTO-LXRD X 線應(yīng)力分析儀檢測試樣表層殘余壓應(yīng)力，采用MJP-50 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)測試試樣接觸疲勞壽命，采用QUANTA 200 環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察試樣滾壓表面及疲勞損傷形貌。

滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。待測試樣是直徑×高為45 mm×6 mm 的圓盤，固定于潤滑油容器底部的夾具上，其SURP表面與推力球軸承相接觸。該軸承滾珠材質(zhì)為GCr15 鋼，硬度HRC 為60，數(shù)量為14個(gè)且分布均勻，直徑為5.58 mm。

試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，設(shè)置主軸壓力為3 kN，均勻分布于每顆軸承滾珠上，并垂直于試樣表面，每顆軸承滾珠施加的最大赫茲接觸應(yīng)力為2.19 GPa；潤滑油為美孚0W-40CF；潤滑油溫度為80 ℃，與該種凸輪軸材料實(shí)際工作溫度一致。在測試過程中，主軸載荷、主軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、振動(dòng)信號(hào)、測試時(shí)間等參數(shù)均被監(jiān)測；軸承滾珠在主軸壓力作用下與試樣滾壓加工部位滾動(dòng)接觸，當(dāng)試樣表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落等破壞時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度陡增；當(dāng)其超過預(yù)設(shè)值時(shí)，測試機(jī)停止工作，記錄主軸轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，作為評(píng)判試樣疲勞壽命的依據(jù)。每組滾壓參數(shù)取9 個(gè)試樣進(jìn)行疲勞測試。

圖3 滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Contact fatigue tester of rolling

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌及粗糙度分析

不同超聲滾壓靜壓力下試樣SEM 掃描電鏡表面形貌如圖4所示。從圖4可見：試樣未加工區(qū)域機(jī)加工痕跡清晰可見；經(jīng)過SURP處理后，機(jī)加工痕跡趨于平整，各試樣表面質(zhì)量得到明顯提高。從圖4(a)可見：當(dāng)靜壓力為400 N 時(shí)，滾壓區(qū)域相對(duì)未加工區(qū)域明顯平整，但還是可以觀測到切屑加工的痕跡。從圖4(b)可見：當(dāng)靜壓力增加至600 N時(shí)，切屑加工痕跡完全去除，基本觀測不到缺陷；但當(dāng)靜壓力超過600 N時(shí)，試樣表面出現(xiàn)新的缺陷，包括裂紋和剝落。從圖4(c)和圖4(d)可觀察到試樣表面在靜壓力1 kN下，與靜壓力為800 N相比，缺陷更嚴(yán)重，裂紋更長，剝落坑數(shù)量顯著增多，從而得知靜壓力過大反而會(huì)對(duì)試樣表面質(zhì)量造成負(fù)面影響，產(chǎn)生新的缺陷，并且隨著靜壓力增大，缺陷會(huì)更加顯著。

圖4 不同滾壓靜壓力下試樣表面形貌SEM圖Fig.4 SEM images of surface morphology of samples at different static rolling loads

圖5所示為不同靜壓力下試樣表面粗糙度。從圖5可見：經(jīng)滾壓處理后，試樣表面粗糙度明顯降低；當(dāng)靜壓力為600 N 時(shí)，試樣表面粗糙度最低，為0.06 μm；當(dāng)靜壓力繼續(xù)增大時(shí)，試樣表面粗糙度也隨之增大。試樣表面粗糙度測試結(jié)果與試樣表面微觀形貌分析結(jié)果一致，這表明在一定范圍內(nèi)提升靜壓力有利于提高材料表面質(zhì)量并降低粗糙度；當(dāng)靜壓力超過600 N時(shí)，反而會(huì)對(duì)材料表面造成一定程度破壞，導(dǎo)致表面質(zhì)量降低，粗糙度提高。陳利欽等[17]在探究SURP工藝對(duì)車軸鋼表面狀態(tài)的影響過程發(fā)現(xiàn)，粗糙度嚴(yán)重影響著材料的疲勞性能。

圖5 不同滾壓靜壓力下試樣表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of samples at different static rolling loads

2.2 微觀組織及顯微硬度分析

SURP的作用機(jī)理在于靜載滾壓與超聲機(jī)械高頻振動(dòng)相結(jié)合對(duì)材料加工表面進(jìn)行高速?zèng)_擊處理，在其被沖擊的位置表層發(fā)生相應(yīng)的劇烈塑性變形。隨著連續(xù)的聯(lián)動(dòng)載荷作用于不同位置的材料表面，其表面內(nèi)部的組織單元不斷發(fā)生塑性變形，進(jìn)而使晶粒細(xì)碎化甚至達(dá)到納米量級(jí)[18]。圖6(a)至(e)所示為5組不同靜壓力下試樣的表面金相組織，均主要為回火馬氏體。從圖6(a)到(e)可看到試樣表面組織呈現(xiàn)了明顯的從先細(xì)化到再長大的過程，其中未加工試樣微觀組織較粗長，呈“粗條狀”；在400 N 和600 N 下，試樣組織較細(xì)密；當(dāng)靜壓力超過600 時(shí)，可觀察到試樣晶粒開始長大；在靜壓力1 000 N 下，試樣晶粒與未加工試樣的粒徑相近，但形狀相對(duì)細(xì)長。

圖6(f)所示為靜壓力為600 N 時(shí)試樣截面微觀組織，可以看到靠近表層的晶粒呈現(xiàn)出明顯的細(xì)化現(xiàn)象，并且沿著截面深度方向，細(xì)化效果逐漸減弱；在最靠近加工表面的細(xì)晶改性層中，晶粒最為細(xì)密并沿著圖中黑色箭頭的方向被拉長，深度約為15 μm；在次表面改性層中，超聲滾壓的細(xì)化作用有所減弱；但仍對(duì)晶粒有一定的細(xì)化效果，深度可達(dá)40 μm左右。張飛等[14]認(rèn)為由于超聲滾壓加工引起的塑性變形可隨著高頻沖擊載荷在材料表層持續(xù)作用不斷滲透，靠近表層的微觀組織產(chǎn)生滑移和位錯(cuò)。隨著塑性變形的不斷發(fā)生，滑移和位錯(cuò)密度將逐漸增大并出現(xiàn)纏結(jié)，隨后晶界湮滅、重排，晶粒取向重新分布，形成新的晶界層。隨著晶粒細(xì)化，單位體積內(nèi)晶粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，使得晶粒的形變負(fù)荷分擔(dān)更均勻，引起局部應(yīng)力過度集中的概率降低，從而材料表層的性能提高，并延緩疲勞失效的發(fā)生。

圖7所示為超聲滾壓試樣在不同靜壓力下的XRD 對(duì)比情況。與未加工試樣相比，當(dāng)滾壓力為600 N 時(shí)，試樣XRD 峰寬化明顯，且峰面積最大；當(dāng)峰面積越大時(shí)，晶粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，顯微組織細(xì)化程度越高；當(dāng)靜壓力為800 N 和1 000 N 時(shí)，與靜壓力為400 N 與600 N 時(shí)相比，試樣衍射峰變窄，峰面積變小，這說明表面晶粒尺寸也隨著靜壓力增加而增大[19]。

XRD 測試結(jié)果可以具體量化試樣的平均晶粒粒度及位錯(cuò)密度，其中晶粒粒度可由Scherrer 公式[20]計(jì)算得到：

式中：D為晶粒粒徑；A為Scherrer 常數(shù)(此處為0.89)；λ為X 線波長(為0.154 06 nm)；α為半高峰寬；θ為布拉格衍射角。

通過計(jì)算可得：未加工試樣及靜壓力為400，600，800 與1 000 N 時(shí)試樣表面晶粒粒徑分別為79.32，40.27，35.30，48.96和61.67 nm。

以上各組試樣表面金相組織觀測結(jié)果與XRD試驗(yàn)測試結(jié)果相互印證，說明超聲滾壓靜壓力可顯著影響材料表層的微觀組織，在適當(dāng)范圍內(nèi)增加靜壓力對(duì)晶粒有明顯的細(xì)化作用。MA等[21]指出晶粒強(qiáng)化可以有效提高鋼的機(jī)械性能，包括強(qiáng)度、硬度、抗疲勞性能等。本研究中，600 N靜壓力可使材料晶粒最為細(xì)化，而過大的靜壓力反而會(huì)使晶粒變得粗大。這是因?yàn)殡S著靜壓力增大，材料表層塑性變形量也隨之增大；當(dāng)靜壓力超過一定值時(shí)，表層組織發(fā)生的應(yīng)變程度更加劇烈，從而使表層組織位錯(cuò)密度大幅度增加；當(dāng)位錯(cuò)密度達(dá)到臨界值時(shí)，晶粒組織在亞晶界處纏結(jié)融合，最終導(dǎo)致晶粒粒徑變大。該結(jié)論與YE 等[22]在超聲沖擊處理對(duì)Ti-6Al-4V 合金顯微組織的影響研究中得出的結(jié)論一致。

圖6 不同滾壓靜壓力下試樣金相組織Fig.6 Optical microstructures of samples at different static rolling loads

圖7 不同滾壓靜壓力下試樣表面X線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffractometer(XRD)patterns of samples at different rolling loads

圖8所示為不同靜壓力下試樣截面顯微硬度分布曲線。從圖8可見：未加工試樣沿深度方向的顯微硬度HV0.2(即保壓荷載為200 N時(shí)的維氏硬度)基本沒有發(fā)生變化，在583上下波動(dòng)；而經(jīng)SURP處理后，試樣表層的顯微硬度顯著提升；隨著靜壓力增大，試樣表面顯微硬度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)靜壓力為400，600，800和1 000 N時(shí)，試樣表面顯微硬度HV0.2分別為631.7，661.1，625.4 和609.2；當(dāng)靜壓力為600 N 時(shí)，與其他靜壓力時(shí)相比，試樣表面硬度提升作用最為明顯，增幅為13.7%，增強(qiáng)范圍至加工表面以下160 μm，說明該靜載荷對(duì)材料表層的晶粒強(qiáng)化效果最好且影響范圍最廣。結(jié)合圖6(f)分析，SURP 對(duì)材料表層顯微硬度具有提升作用，其原因是該工藝對(duì)材料表層顯微組織具有改性與強(qiáng)化作用。WANG 等[23]采用超聲滾壓工藝對(duì)不銹鋼顯微組織及機(jī)械性能的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為由SURP引起的塑性變形及位錯(cuò)可有效提高材料表層顯微硬度。故可推測，剛開始時(shí)，隨著靜壓力增大，SURP引起的塑性變形及位錯(cuò)對(duì)材料表層組織的細(xì)化作用逐漸顯著，且滲透范圍也不斷加大；而當(dāng)靜壓力超過某一范圍時(shí)，過大的塑性變形量與位錯(cuò)密度反而會(huì)削弱SURP 的細(xì)化作用(晶粒纏結(jié)融合)并阻礙強(qiáng)化作用的滲透，致使晶粒寬大，影響范圍減小，體現(xiàn)在材料表層顯微硬度分布上，當(dāng)靜壓力為600，800與1 000 N時(shí)，試樣表層顯微硬度依次減小。

圖8 不同滾壓靜壓力下試樣截面顯微硬度分布Fig.8 Cross-sectional microhardness distribution of samples at different rolling loads

2.3 表面殘余壓應(yīng)力分析

不同靜壓力下試樣表面殘余壓應(yīng)力測試結(jié)果如圖9所示。從圖9可見：未加工試樣表面殘余壓應(yīng)力為-173.7 MPa；隨著靜壓力的增大，試樣表面殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；當(dāng)靜壓力為600 N 時(shí)，該值達(dá)到最大為-1 437.6 MPa；而當(dāng)靜壓力為400，800和1 000 N時(shí)，殘余壓應(yīng)力分別為-1 242.2，-1 215.0 和-1 139.8 MPa。在SURP過程中，材料表層發(fā)生不均衡的塑性變形，引起表層組織晶格畸變，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而材料表層的殘余壓應(yīng)力可以部分抵消工作表面所受的應(yīng)力，以提高材料的磨損和疲勞抗性[24-26]。而過大的靜壓力不僅會(huì)使晶粒發(fā)生纏結(jié)融合，消除部分位錯(cuò)及不均衡塑性變形，而且會(huì)在試樣表面形成微裂紋，這樣，材料表面的殘余壓應(yīng)力反而得到釋放，從而導(dǎo)致800 N 和1 000 N 時(shí)試樣表面殘余壓應(yīng)力降低。所以，要使該種凸輪軸材料獲得較理想的殘余壓應(yīng)力，需將靜壓力控制在600 N左右[27-29]。

圖9 不同滾壓靜壓力下試樣表面殘余壓應(yīng)力Fig.9 Surface residual compressive stress of samples at different rolling loads

2.4 接觸疲勞壽命分析

雙參數(shù)Weibull 分布被廣泛應(yīng)用于疲勞壽命分析中[30]。雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)為

式中：F(N)為失效概率；N為接觸疲勞壽命；Na為特征壽命參數(shù)；β為疲勞壽命的形狀參數(shù)。

圖10所示為未加工及4 組不同靜壓力下試樣的疲勞壽命雙參數(shù)Weibull 分布曲線(每組9 個(gè)試樣)，該擬合曲線反映了材料相對(duì)于某一疲勞壽命的失效概率，其中，K為對(duì)應(yīng)曲線的斜率，反映試樣的疲勞穩(wěn)定性。由圖10可知：當(dāng)靜壓力為600 N時(shí)，試樣疲勞壽命擬合曲線位于最右側(cè)，表明該參數(shù)下的試樣疲勞壽命整體高于其他參數(shù)下的疲勞壽命，并且該曲線的斜率K最大，表明其疲勞壽命函數(shù)的收斂性最佳，疲勞性能最穩(wěn)定；靜壓力為400 N時(shí)的試樣疲勞壽命與800 N時(shí)的疲勞壽命相近，低于600 N 時(shí)試樣疲勞壽命，而1 000 N 時(shí)試樣疲勞壽命僅高于未加工試樣的試樣疲勞壽命，相對(duì)于其他靜壓力較短；未加工試樣曲線最靠左，斜率最小，說明其疲勞壽命明顯比其他組試樣的疲勞壽命低，且疲勞性能最不穩(wěn)定。

圖10 不同滾壓靜壓力下試樣接觸疲勞壽命的Weibull分布曲線Fig.10 Weibull distribution curves of contact fatigue life of samples at different static rolling loads

基于不同試樣的疲勞壽命Weibull 分布曲線，得到各組試樣的3種典型疲勞壽命，包括額定壽命(L10)、中值壽命(L50)、特征壽命(L63.2)，如表3所示。其中，當(dāng)靜壓力為600 N時(shí)，試樣的3種典型疲勞壽命分別為6.419×106，8.535×106和9.250×106轉(zhuǎn)，均比其他組試樣的高，分別為未加工試樣的7.4，4.8和4.2倍；隨著靜壓力增大，SURP對(duì)材料疲勞壽命的提升作用表現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，未加工試樣及靜壓力為400 N 與600 N 組試樣疲勞壽命逐漸增強(qiáng)，靜壓力為800 N 和1 000 N 時(shí)試樣額定壽命(L10)、中值壽命(L50)、特征壽命(L63.2)依次降低。該變化趨勢(shì)與SURP對(duì)凸輪材料表面質(zhì)量、微觀組織、顯微硬度及殘余壓應(yīng)力等性能影響的變化趨勢(shì)一致。以上因素均對(duì)材料的疲勞壽命有所影響[31-35]。

表3 不同滾壓靜壓力試樣經(jīng)典接觸疲勞壽命Table3 Typical values of contact fatigue life of samples at different static rolling loads

2.5 接觸疲勞損傷分析

圖11所示為接觸疲勞試驗(yàn)后試樣表面失效損傷形貌，通過該組形貌圖可分析不同滾壓靜壓力下材料接觸疲勞失效機(jī)理。從圖11(a)和圖11(e)可觀察到未加工和靜壓力為1 000 N時(shí)試樣主要疲勞失效形式為層離。其失效機(jī)理是在試驗(yàn)過程中，材料次表面受到最大的正交和剪切應(yīng)力的共同作用，使次表面易萌生疲勞裂紋。隨著與滾動(dòng)軸承不斷接觸，試樣疲勞裂紋延伸、擴(kuò)展并相互連接，在次表面形成裂紋網(wǎng)，隨后向試樣表面繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致層離失效，故在剝落坑底部可觀察到多處裂紋及點(diǎn)蝕現(xiàn)象[36]。雖然未加工和靜壓力為1 000 N 時(shí)試樣的主要疲勞失效形式均為層離，但與1 000 N時(shí)試樣相比，未加工試樣次表面具有更多的裂紋和點(diǎn)蝕現(xiàn)象，剝落坑面積更大，周圍表面也產(chǎn)生了較多的裂紋及淺層剝落。需注意的是，當(dāng)靜壓力為1 000 N 時(shí)，試樣剝落坑底部有1 處明顯分層，這說明最初裂紋的萌生與擴(kuò)展是在不同深度的次表面進(jìn)行的，當(dāng)2個(gè)次表面的裂紋繼續(xù)延伸并在分層處連結(jié)交織后，最終形成了如圖11(e)所示的剝落坑。由于1 000 N滾壓力過大，使試樣表面缺陷增多，粗糙度增大，在與軸承球體接觸過程中，在凸起部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在較大的集中應(yīng)力反復(fù)作用下，凸起部分從試樣上分離，形成磨粒，隨后，高壓潤滑油將磨粒擠入試樣與軸承球體之間的接觸區(qū)域最終形成試樣、磨粒、軸承球的三體磨料磨損。該種損傷機(jī)理已被ZHANG 等[37]在對(duì)17Cr2Ni2MoVNb 合金鋼的接觸疲勞行進(jìn)行研究時(shí)所驗(yàn)證。故可推斷，由于存在較多的表面缺陷和較大的表面粗糙度，引起更多磨粒介入，對(duì)材料表面的抗接觸疲勞性能造成一定程度的影響。

靜壓力為400 N 和800 N 時(shí)試樣疲勞失效形貌分別如圖11(b)和圖11(d)所示，可知其主要的失效形式為剝落。在試樣與滾動(dòng)軸承持續(xù)接觸過程中，潤滑油在其間形成高壓油波，并被迅速壓入試樣表面的裂紋中，在高頻循環(huán)應(yīng)力作用下對(duì)裂紋產(chǎn)生持續(xù)沖擊，使表面裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，然后相互交聯(lián)，最終產(chǎn)生疲勞剝落坑。該結(jié)果與王軍威等[38]在討論45 號(hào)鋼剝落失效機(jī)制過程中所得出的結(jié)果相同。靜壓力為400 N 時(shí)的試樣疲勞損傷機(jī)理與800 N時(shí)的試樣疲勞損傷機(jī)理基本相同，除了主要的疲勞剝落之外，在剝落坑邊緣區(qū)域也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，并且表面也產(chǎn)生了裂紋及點(diǎn)蝕現(xiàn)象。與靜壓力為800 N時(shí)相比，試樣分層現(xiàn)象較嚴(yán)重，且疲勞失效部位生成了2個(gè)大小不一的剝落坑，可理解為在試驗(yàn)過程中，該靜壓力試樣表面會(huì)萌生出較多處裂紋。從疲勞行為分析，靜壓力400 N時(shí)對(duì)凸輪材料疲勞性能的強(qiáng)化作用稍強(qiáng)于800 N時(shí)試樣的強(qiáng)化作用。

從圖11(c)可見：靜壓力為600 N時(shí)試樣疲勞失效形式為淺層剝落(剝落坑深度較小，裂紋形成與擴(kuò)展在離接觸表面更近處)，并伴隨著多處較顯著的裂紋與點(diǎn)蝕坑。當(dāng)靜壓力為600 N時(shí)，試樣相較于其他參數(shù)試樣的主剝落坑較淺，且剝落坑底部較平整，而剝落坑周圍的裂紋與點(diǎn)蝕坑損傷程度更嚴(yán)重，說明其疲勞裂紋的形成及發(fā)展進(jìn)程較為同步。結(jié)合600 N時(shí)試樣疲勞壽命最長這一試驗(yàn)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)在該靜壓力作用下，可使材料表層機(jī)械性能更優(yōu)且質(zhì)量更加均勻。

圖11 不同滾壓靜壓力下試樣接觸疲勞失效損傷形貌Fig.11 Surface rolling contact fatigue failure morphologies of samples at different static rolling loads

機(jī)械零件表面的接觸疲勞失效形式主要包括點(diǎn)蝕、剝落和層離[39]。綜合對(duì)5組試樣疲勞失效損傷形貌分析，未加工試樣與1 000 N時(shí)試樣疲勞失效形式為層離，相對(duì)其他組試樣失效形式較嚴(yán)重；靜壓力為400 N 與800 N 時(shí)試樣疲勞性能較接近，主要失效形式均為剝落；靜壓力為600 N時(shí)試樣疲勞形式較輕微。可見，SURP工藝對(duì)凸輪軸材料抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能有一定的提升作用，且將靜壓力控制在600 N附近時(shí)，提升作用較顯著，而過大的靜壓力反而會(huì)削弱超聲滾壓對(duì)材料的增強(qiáng)效果。這與不同靜壓力下，材料的表面質(zhì)量、顯微組織及殘余壓應(yīng)力等性能有關(guān)。試樣表面質(zhì)量越高，缺陷相對(duì)越少，表面粗糙度更低，在滾動(dòng)接觸過程中，不易在試樣表面產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這樣，試樣表面材料發(fā)生脫落并形成磨粒的概率降低；且表面裂紋減少，高壓潤滑油直接被壓入原始裂紋的機(jī)會(huì)也被降低，從而最終形成的剝落坑深度較小。當(dāng)試樣表層的顯微組織更致密、硬度更高時(shí)，裂紋的萌生與擴(kuò)展將受到阻礙，所以，剝落坑面積更小，并且不同深度裂紋大面積受到抑制，進(jìn)而減少了層離現(xiàn)象的出現(xiàn)。而殘余壓應(yīng)力可以直接抵消試樣在接觸過程中的正向壓力，并直接影響接觸疲勞裂紋發(fā)展速度及程度。若靜壓力越小，則試樣表層材料的實(shí)際正壓力越大，從而裂紋的擴(kuò)展速度更快，也會(huì)延伸得更長，所以，形成的剝落坑也會(huì)更大、更深。從以上分析可得出，凸輪材料試樣的疲勞損傷形貌的形成是以上多種性能的綜合作用所致。

此外，經(jīng)過SURP試樣的剝落坑與未加工試樣的剝落坑相比均較狹長，說明裂紋的擴(kuò)展主要沿著垂直于滾壓方向進(jìn)行，而沿著滾壓方向的裂紋延伸則受到抑制。SURP后試樣表層顯微組織沿著滾壓方向排布，可推測SURP對(duì)材料表面沿滾壓方向的抗疲勞性能有一定提升作用。

3 結(jié)論

1)SURP處理可有效改善該種凸輪軸材料的表面質(zhì)量、細(xì)化顯微組織并提高殘余壓應(yīng)力。隨著靜壓力增加，以上性能均逐漸增強(qiáng)，并在600 N時(shí)可達(dá)到最佳；但繼續(xù)增大靜壓力，材料表面出現(xiàn)缺陷與裂紋，晶粒相對(duì)最細(xì)化尺寸更大，且殘余壓應(yīng)力也降低。

2)與未加工試樣相比，經(jīng)過SURP的試樣接觸疲勞壽命明顯提高，疲勞性能更加穩(wěn)定。在4組不同靜壓力中，當(dāng)靜壓力為600 N時(shí)，使材料獲得最長的接觸疲勞及最穩(wěn)定的疲勞性能，其額定壽命(L10)、中值壽命(L50)和特征壽命(L63.2)分別是未加工試樣對(duì)應(yīng)壽命的7.4，4.8和4.2倍。

3)將靜壓力控制在600 N以下，增加靜壓力可有效提高該材料的疲勞性能，而當(dāng)靜壓力超過600 N時(shí)，由于試樣表面質(zhì)量、表層顯微組織和殘余壓應(yīng)力等性能有所降低，會(huì)導(dǎo)致SURP對(duì)材料接觸疲勞性能的增強(qiáng)作用削弱，故疲勞壽命下降。

4)SURP處理顯著影響了材料接觸疲勞失效機(jī)理。未加工試樣與靜壓力為1 000 N時(shí)試樣主要失效形式為層離，靜壓力為400 N 與800 N 時(shí)試樣主要失效形式為剝落，600 N時(shí)主要失效形式為淺層剝落。沿滾壓方向，材料表層抗疲勞性能有一定增強(qiáng)。