航发M50轴承钢成形制造组织性能电冲击调控基础研究

作     者：宋鑫达 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：华林

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：M50轴承钢 组织演变 电冲击处理 性能 

摘      要：近年来,M50轴承钢因其优异的强度和高温稳定性,作为航发主轴承基体用钢被广泛应用于航空航天工业。然而,M50轴承钢在成形制造和服役过程中极易产生微观损伤、残余应力和亚稳组织等缺陷,这些损伤缺陷若得不到调控和修复,会致使轴承的可靠性和疲劳寿命大打折扣。因此,必须对航发主轴承基体现有成形制造工艺进行改进以满足现行的服役要求。电冲击处理作为一种新型的材料改性工艺,具有高效、节能、无污染的特点。本课题通过电冲击技术调控M50轴承钢成形制造组织性能,有效调控了冷轧残余应力,提高了性能一致性。同时开发了新型的淬火-电冲击-回火(Q-E-T)工艺,保障轴承钢尺寸稳定性的同时提高了其强韧性,最后通过电冲击处理修复疲劳过程积累的损伤和应力,提高了M50轴承钢滚动接触疲劳性能。首先本文研究了M50轴承钢冷轧残余应力与组织均匀性电冲击调控方法。M50轴承钢冷轧形成的残余应力和微观缺陷会严重影响其加工精度和服役性能,通过对冷轧态M50轴承钢施加不同参数的电冲击处理,在热效应和非热效应的耦合作用下电冲击处理促进了位错的运动和湮没,释放了冷轧试样的残余应力并使其分布更加均匀。同时,由于电冲击处理促进局部再结晶和集中应力的释放,有效降低了冷轧试样在0°、45°和90°三个方向的各向异性。此外,试样的平均延伸率和冲击韧性分别提高了25.5%和14.7%。该研究为消除残余应力对轴承钢力学性能的影响,最大限度地发挥冷轧的优势提供了新的途径。其次,本文研究了淬火-电冲击-回火新工艺下M50轴承钢微观组织和力学性能演变规律。结果表明采用新型的淬火-电冲击-回火(Q-E-T)工艺,M50轴承钢获得了良好的抗拉强度和冲击韧性的匹配;与常规淬回火(Q-T)试样相比,Q-E-T试样在保证抗拉强度的情况下冲击吸收功提高了24.1%。微观组织观察表明,Q-E-T试样中残余奥氏体(RA)的体积分数为7.9%,远高于普通Q-T试样的4.4%。同时,由于Q-E-T试样中残余奥氏体的碳含量较高,残奥稳定性得到了显著提高。此外,Q-E-T试样中的板条尺寸从Q-T试样的1.71μm减小到了1.34μm,这是由于电冲击处理过程中产生的片状马氏体分割了块状残余奥氏体,从而组织得以细化。最后本文探索了M50轴承钢滚动接触疲劳性能电冲击修复技术。首先进行普通Q-T工艺下M50轴承钢疲劳试验,试验载荷4508MPa,转速2040r/min,计算得到普通工艺额定寿命为0.495×10次,达额定寿命时运行时间为441min。然后通过对运行到441min的疲劳试样进行分区电冲击处理,研究电冲击处理对疲劳试验积累损伤和应力的影响。结果表明,电冲击处理显著提高了M50轴承钢的疲劳寿命,同时电冲击处理后疲劳试样磨痕区显微硬度和残余应力显著下降,最终疲劳失效样剥落处形貌更为平整。