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磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响

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中国表面工程 2017年第2期30卷 41-47页

作者：邹雄梁益龙吴泽丽秦少杰胡君杰贵州大学材料与冶金学院贵阳550025 贵州大学贵州省材料结构与强度重点实验室贵阳550025

为研究后混合磨料水射流喷丸对渗碳后GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响规律,利用X射线应力衍射仪、粗糙度仪、显微硬度仪、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等分析了水射流喷丸强化对试样表面残余应力场、粗糙度、硬度、形貌、组织的... 详细信息

为研究后混合磨料水射流喷丸对渗碳后GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响规律,利用X射线应力衍射仪、粗糙度仪、显微硬度仪、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等分析了水射流喷丸强化对试样表面残余应力场、粗糙度、硬度、形貌、组织的变化规律,并用升降法测定了抛光及抛光+水喷丸两种状态下渗碳GDL-1钢拉压疲劳性能。结果表明:试样经水喷丸处理后,表面粗糙度有所增加,并且有磨料撞击形成的小凹坑及在表面残留有玻璃磨料,但同时表层脱碳层大部分被去除,硬度得到显著提升、残留奥氏体含量降低,晶粒得到细化,并且在表面形成一定深度的残余压应力层。经水喷丸处理的试样,其较未经水喷丸的疲劳极限提高了19%,且疲劳源全部在远离表面接近1/2R位置形成,这说明水射流喷丸在表层产生的高残余压应力和晶粒细化可以显著提高渗碳钢的疲劳性能。

关键词： GDL-1钢磨料水射流喷丸表面完整性疲劳性能

磨料水射流喷丸强化3D打印TC4表面残余应力分布规律研究

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工具技术 2022年第8期56卷 67-71页

作者：王屹祯王湘田侯荣国吕哲卢萍张玉龙王瑞山东理工大学机械工程学院

针对磨料水射流喷丸强化3D打印TC4材料表面,通过拉伸试验研究了其在准静态状态下的力学行为规律,获得其屈服强度为648.7MPa、应变强化系数为288.7MPa以及参考应变率为0.36的Johnson-Cook本构模型。采用ABAQUS数值模拟软件分析发现,磨料... 详细信息

针对磨料水射流喷丸强化3D打印TC4材料表面,通过拉伸试验研究了其在准静态状态下的力学行为规律,获得其屈服强度为648.7MPa、应变强化系数为288.7MPa以及参考应变率为0.36的Johnson-Cook本构模型。采用ABAQUS数值模拟软件分析发现,磨料水射流钢丸速度为10.7~20.2m/s时,3D打印TC4材料的最大残余压应力为-191~-284MPa,喷丸速度与材料残余压应力表层厚度成正比。通过试验验证表明,3D打印TC4材料残余应力模拟结果与试验结果吻合,可为工程应用提供可靠数据依据。

关键词：磨料水射流喷丸 3D打印TC4 本构模型表面力学行为残余压应力

磨料水射流喷丸对两种渗碳钢表面完整性及疲劳性能的影响

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磨料水射流喷丸对两种渗碳钢表面完整性及疲劳性能的影响

作者：邹雄贵州大学

学位级别：硕士

20CrMnTi钢是我国最常用的齿轮钢,GDL-1钢是一种新开发用作钎杆的贝氏体钢。我国生产的齿轮和钎杆存在寿命短、可靠性差的问题,因而通过表面改性方法来提高其使用寿命意义重大,高压水射流喷丸作为一种可以替代传统喷丸的表面强化工艺,... 详细信息

20CrMnTi钢是我国最常用的齿轮钢,GDL-1钢是一种新开发用作钎杆的贝氏体钢。我国生产的齿轮和钎杆存在寿命短、可靠性差的问题,因而通过表面改性方法来提高其使用寿命意义重大,高压水射流喷丸作为一种可以替代传统喷丸的表面强化工艺,其应用前景广阔,但目前高压水射流喷丸技术在渗碳钢的研究应用还不够深入,为此本文针对两种渗碳钢进行后混合磨料水射流喷丸强化,研究了不同工艺参数下,20CrMnTi钢的表面完整性及接触疲劳性能和GDL-1钢表面完整性及拉压疲劳性能的变化规律,并且还研究了水喷丸后GDL-1钢残余应力的热松弛行为,得到以下主要结论:1.相同条件下,混合磨料的流量比玻璃磨料小,但冲蚀动能大,易导致材料表面发生脆性去除。考虑不同密度磨料对工件整体强化效果时,要综合考虑磨料密度,流量及速度这几个相互制约因素。2.相同水压下,混合磨料喷丸的20CrMnTi试样表面损伤情况更严重,粗糙度更大,且表层塑性变形程度比玻璃磨料喷丸的小,这可以从硬度,残留奥氏体,残余压应力等变化来验证,综合说明玻璃磨料喷丸后,试样的表面完整性更好。3.20CrMnTi试样经过玻璃磨料水喷丸后,接触疲劳寿命得到显著提升,300MPa下接触疲劳寿命较未水喷及200MPa水喷试样分别提高了6.8和2.1倍。未水喷试样属于麻点失效,200MPa、300MPa水喷试样基本都属于深层剥落,但300MPa试样的裂纹源位置更深。***-1钢经磨料水喷丸后,其表层脱碳层大部分被去除,表层硬度得到显著提升,组织和晶粒得到细化,残留奥氏体含量降低,并且形成约380μm的压应力层,此外,试样在磨料的撞击下表面形成有许多的凹坑和冲蚀沟痕,部分地方还出现脆性脱层,并在试样表面发现有玻璃磨料残留。抛光试样经过磨料水射流喷丸后,疲劳极限达526 MPa,较水喷前的提高了19%,且疲劳源全部在远离表面接近1/2R位置形成。5.残余应力的热松弛行为主要受保温时间和保温温度的影响。并证实Zener–Wert–Avrami方程不适合描述整个回复过程,要使用该方程就必须对其进行适当修改。

关键词：磨料水射流喷丸渗碳钢表面完整性疲劳性能残余应力热松弛

复合表面改性对M50NiL钢拉压疲劳寿命的影响

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第4期53卷 1209-1219页

作者：余加邦梁益龙邹江河张凤泰彭翔贵州大学材料与冶金学院贵州贵阳550025 贵州省材料结构与强度重点实验室贵州贵阳550025 高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025

为提高M50NiL钢的疲劳性能,在对M50NiL钢进行渗碳处理的基础上,分别进行单一磨料水射流喷丸、磨料水射流喷丸+表面超声滚压复合表面改性处理试验,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场、表层硬度和疲劳寿命的关系。研究结果表明:与单... 详细信息

为提高M50NiL钢的疲劳性能,在对M50NiL钢进行渗碳处理的基础上,分别进行单一磨料水射流喷丸、磨料水射流喷丸+表面超声滚压复合表面改性处理试验,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场、表层硬度和疲劳寿命的关系。研究结果表明:与单一磨料水射流喷丸处理相比,复合表面改性处理可提高试样表面完整性。在表面形貌方面,复合表面改性处理试样获得了更完整的表面形貌,表面粗糙度降低了80%以上;在残余应力方面,复合表面改性处理试样最大残余压应力和最大残余应力场深度均大幅提升,表面残余压应力绝对值从870 MPa提升至1398 MPa,残余应力场深度从400μm提升到600μm;在硬度方面,复合表面改性处理试样获得了较高的硬度。在单一磨料水射流喷丸处理的基础上,复合表面改性处理进一步提升了渗碳M50NiL钢的疲劳寿命,在最大应力水平σ_(max)=800 MPa,应力比R=−1条件下,其拉压疲劳寿命较渗碳处理试样的疲劳寿命提高48.6倍,较单一磨料水射流喷丸处理试样的疲劳寿命提高1.1倍。复合表面改性处理试样疲劳寿命提升是残余压应力场、表面硬化及表面形貌改善的综合作用。

关键词： M50NiL钢真空渗碳表面超声滚压磨料水射流喷丸疲劳寿命

复合渗对M50NiL钢滚动接触疲劳性能的影响

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复合渗对M50NiL钢滚动接触疲劳性能的影响

作者：李少龙贵州大学

学位级别：硕士

轴承作为航空发动机上的关键传动构件,其性能的好坏直接影响航空发动机的运行,失效模式主要为轴承高速运转造成的滚动接触疲劳失效并且伴有一定的滑动磨损,因此需要系统的分析伴有一定滑差率的滚动接触疲劳。构件的磨损性能与表面质量... 详细信息

轴承作为航空发动机上的关键传动构件,其性能的好坏直接影响航空发动机的运行,失效模式主要为轴承高速运转造成的滚动接触疲劳失效并且伴有一定的滑动磨损,因此需要系统的分析伴有一定滑差率的滚动接触疲劳。构件的磨损性能与表面质量密切相关,以往的单一表面改性技术具有很大的局限性逐渐被复合表面技术所取代,M50NiL钢作为第二代航空发动机轴承钢,目前关于M50NiL钢的研究主要集中在渗碳处理方面,而对M50NiL钢进行渗碳+等离子氮化复合渗过后,再对摩擦磨损和带有一定滑差率的滚动接触疲劳性能的系统研究较少。本文以M50NiL钢为研究对象,分析了经过渗碳和复合渗处理试样的摩擦磨损性能与滚动接触疲劳性能,为M50NiL钢的实际应力提供了理论依据。(1)经过复合渗处理后,M50NiL钢的显微硬度从渗碳处理后的755HV0.1增加到1202HV0.1,表面残余压应力增加到-880MPa,但是由于表面气孔的出现,表面粗糙度增加到0.42μm。(2)研究了复合渗处理试样的摩擦磨损性能,复合渗处理后由于较高的表面硬度以及残余压应力,摩擦磨损的平稳阶段的摩擦系数低于渗碳处理的试样,降低了M50NiL钢的磨损率,主要磨损机制从磨粒磨损转变为黏着磨损。(3)复合渗处理后,滚动接触疲劳寿命提升到2446MPa,其失效机制为脉状析出物组织诱导的分层剥落。(4)对渗碳试样进行氮化前的水射流喷丸预改性,当压力为200MPa时发生了晶粒细化的现象,有效的抑制了VLGB组织的形成。

关键词： M50NiL钢真空渗碳等离子氮化磨料水射流喷丸脉状析出物摩擦磨损滚动接触疲劳

40CrNiMo钢复合表面改性对表面完整性及疲劳性能的研究

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40CrNiMo钢复合表面改性对表面完整性及疲劳性能的研究

作者：付海贵州大学

学位级别：硕士

40CrNiMo钢因其具有高强度、高韧性和良好的淬透性,被广泛地应用在轴类、齿轮、紧固件等零件上。国产轴类、齿轮存在疲劳寿命短、可靠性差等问题,因此通过表面处理工艺来提高工件的疲劳寿命,对于我国高端装备升级换代具有重大意义。单... 详细信息

40CrNiMo钢因其具有高强度、高韧性和良好的淬透性,被广泛地应用在轴类、齿轮、紧固件等零件上。国产轴类、齿轮存在疲劳寿命短、可靠性差等问题,因此通过表面处理工艺来提高工件的疲劳寿命,对于我国高端装备升级换代具有重大意义。单一的处理手段已经满足不了高端装备的服役要求,因此运用多种改性手段对工件表面进行处理使之达到更好的性能具有重要意义。本文通过磨料水射流喷丸(Abrasive water jet shot peening AWJP)、超声表面滚压(Ultrasonic surface rolling extrusion USRE)、等离子表面氮化(Plasma nitriding treating N)三种表面改性工艺,并再此基础上提出AWJP+USRE和AWJP+USRE+N两种表面工艺。探究40CrNiMo钢表面完整性和拉压疲劳性能的影响规律,并且研究了AWJP+USRE后回火处理对40CrNiMo疲劳性能的影响。利用透射电镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等仪器分析表面形貌和微观组织,通过分析表面形貌、微观组织结构、残余应力、硬度对40CrNiMo高周疲劳性能的影响,得到以下主要结论:(1)进行磨料水射流喷丸试验,探究磨料水射流喷丸对调质处理的40CrNiMo表面完整性的影响,对于调质处理的40CrNiMo,水压越大试样表面受到的冲蚀动能越大,使材料表面粗糙度增加且发生脆性去除。对于超声表面滚压,随着滚压次数的增加,试样的表面会出现剥落,且粗糙度随着滚压次数的增加呈现先变大后变小的趋势。(2)通过复合表面改性工艺,能够得到性能良好的梯度结构,在距离表面40μm处,晶粒尺寸为70nm,形变层达到320μm,且表面的粗糙度达到0.06μm,表面残余应力达到-846MPa。复合表面改性相对于抛光基体试样疲劳极限从510MPa提高到595.7 MPa提高了85.7MPa。疲劳性能的提高主要得益于表面粗糙度的降低、表层硬度的提高、组织梯度和残余应力梯度的形成。(3)复合表面改性后试样在450℃退火处理3小时,试样表面的残余应力从-846 MPa变化到-430MPa,但残余应力的深度未发生变化。试样的疲劳极限从599MPa下降到544MPa下降55MPa,说明残余应力仍是影响试样疲劳性能的重要因素。(4)复合表面改性后等离子氮化的实验参数为渗氮温度500℃、保温时间20h。分析实验结果得到渗氮层的厚度为420μm,较未复合表面改性试样的渗氮层增加80μm。表面的残余应力达到-954MPa,试样经过复合表面改性后等离子氮化疲劳极限达到626MPa,较复合表面改性试样疲劳极限595.7MPa提高30.3MPa,较未改性抛光试样疲劳极限510MPa提高了116MPa。复合表面改性后等离子氮化试样疲劳极限的提高归功于复合表面改性后等离子氮化所产生残余应力和硬度梯度的提高。

关键词：磨料水射流喷丸超声表面滚压等离子氮化疲劳性能残余应力

超声表面深滚对40CrNiMoA钢表面完整性及微动疲劳性能的影响

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超声表面深滚对40CrNiMoA钢表面完整性及微动疲劳性能的影响

作者：邹江河贵州大学

学位级别：硕士

40CrNiMoA钢是广泛应用于机械关键承载结构零部件和装备的钢铁材料。机械结构零部件在表面接触、疲劳载荷和振动激励工况下无法避免微动疲劳现象。在微动疲劳服役条件下机械构件的疲劳寿命因表面微动损伤作用显著降低,由此产生的断裂性... 详细信息

40CrNiMoA钢是广泛应用于机械关键承载结构零部件和装备的钢铁材料。机械结构零部件在表面接触、疲劳载荷和振动激励工况下无法避免微动疲劳现象。在微动疲劳服役条件下机械构件的疲劳寿命因表面微动损伤作用显著降低,由此产生的断裂性损伤,可能造成毁灭性机械故障。因此,如何减缓微动疲劳损伤,显著地延长微动疲劳寿命是一个重要的科学问题。通过对金属材料表面采用严重塑性变形(SSPD)的方法,诱导梯度纳米结构(GNS)、获得残余压应力(CRS)和表面加工硬化(SWH)均可以大幅提高金属材料的表面耐磨性、耐蚀性(抗氧化)和抗疲劳性。这类处理工艺在提高金属材料的微动疲劳性能方面具有显著优势。基于此,本文采用超声表面滚压以及磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合改性技术对40CrNiMoA钢进行了表面改性处理,并在自主设计的微动疲劳实验装置上进行了微动疲劳实验。通过结合激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、聚焦离子束(FIB)、透射电子显微镜(TEM)以及能谱仪(EDS)等检测和分析手段探索和比较了40CrNiMoA钢在不同表面改性处理工艺下获得的梯度纳米结构(GNS)的表面形貌,表层微观组织结构,残余应力和显微硬度等表面完整性参数的变化规律;深入分析了40CrNiMoA钢表面完整性参数对微动疲劳性能的影响,阐明了该材料在不同表面改性条件下的微动疲劳机理。主要研究内容和结论为:(1)系统研究了未经表面处理和经不同工艺参数的超声表面滚压处理的40CrNiMoA钢在梯度纳米结构的层深,表面形貌,表层微观组织结构,残余压应力和显微硬度等表面完整性相关参数的变化规律。研究发现,经9道次,900N的静压力超声表面滚压处理后的40CrNiMoA钢表面完整性更优越。试样SSPD层深达450μm,表面残余压应力和最大残余压应力分别为919 MPa和1251 MPa,相比于未处理试样,分别提高了554 MPa和886 MPa;其表面显微硬度为790.3HV,与未处理试样的481.5 HV相比,提高了64.1%。(2)深入研究了超声表面滚压处理40CrNiMoA钢的表层微观组织结构,发现SSPD层的微观组织结构由表及里依次为等轴纳米晶、片层纳米晶、弯曲马氏体结构,晶粒尺寸呈梯度变化规律。其中,在试样最表层,马氏体晶粒尺寸细化至纳米级,碳化物也发生显著细化及溶解,位错增殖明显。材料梯度结构强度由晶粒细化强化、位错强化和析出强化联合贡献。(3)系统研究了未改性40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。在频率为110 Hz,正压力为200 N状态下未改性试样微动疲劳极限为330 MPa。研究表明,未改性试样接触微动磨损表面具有氧化磨损、磨粒磨损、粘着磨损和疲劳分层综合特征。此时,其疲劳裂纹源萌生于应力集中更明显、表面微动磨损更严重的接触边缘磨损微凹坑底部,裂纹初期扩展与表面平行方向成50°锐角方向扩展至一定深度后转向垂直于试样的快速扩展至最终失稳断裂。(4)对比研究了未改性和不同道次超声表面滚压40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。结果表明9道次超声表面滚压试样的微动疲劳极限值最高(550MPa)。相比于未改性试样,该值增加了66.7%。超声表面滚压改性获得的GNS、诱导CRS和SWH防止了微动疲劳源过早形核,抑制了裂纹快速扩展,改变了裂纹扩展路径。裂纹扩展初期,其扩展方向与表面平行方向夹角约为20°,裂纹扩展路径为锯齿状。研究发现微动疲劳极限的显著增加与材料表面磨损机制的转变和表面完整性的优化有关。与未处理试样相比,超声表面滚压处理后40CrNiMoA钢试样的表面磨损机制转变为粘着磨损、疲劳磨损和轻微氧化磨损。其表面磨损程度改善,微动疲劳裂纹源数量减少,起裂角变小,裂纹扩展区的疲劳条带棱边界清晰,条带间距减小,裂纹扩展速率降低。(5)对比研究了未改性处理和磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合表面改性处理40CrNiMoA钢试样的微动磨损机制、微动疲劳极限和疲劳机理。相比于未改性试样,复合改性试样的微动疲劳极限为525 MPa,增加了59.1%。其表面微动磨损机制以粘着磨损、氧化磨损及分层剥落为主要特征。复合改性获得明显的加工硬化效果、合理的残余压应力梯度、显著增加的晶界数量以及改善的表面形貌。它们协同作用,影响了微动疲劳裂纹萌生和扩展,提高了材料的抗疲劳性能。但由于磨料水射流喷丸与超声表面滚压高能复合表面改性的试样表面存在少量折叠微缺陷,导致复合改性微动疲劳性能略低于超声表面滚压改性试样。

关键词： 40CrNiMoA钢微动疲劳超声表面滚压磨料水射流喷丸高能复合改性梯度纳米结构