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淺談EA4T 車軸鋼的超聲沖擊表面強化論文
0 引言
車軸是承受機車車輛質(zhì)量的關(guān)鍵部件，在運行中要承受靜載荷、動載荷和制動附加載荷的作用，失效的主要形式是疲勞破壞. 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，對行車的安全性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn). 疲勞損傷往往發(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，對保證軌道交通的順暢通行有積極意義.
目前在實際生產(chǎn)中廣泛采用表面強化技術(shù)來提高車軸鋼表面性能，主要有噴丸強化、滾壓強化和感應(yīng)淬火等，這些方法取得了良好的強化效果，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. 超聲沖擊技術(shù)作為一種有效的表面強化方法，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，強化層較深，可以引入較大的殘余壓應(yīng)力，同時不受工件形狀限制，還可以與其它設(shè)備組成生產(chǎn)線等優(yōu)特點，故可把超聲沖擊技術(shù)應(yīng)用于車軸鋼的表面強化上，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 試驗材料及方法
試驗選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)的EA4T 車軸鋼. 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 維氏顯微硬度計上進(jìn)行測量，用Leica DCM 3D 共聚焦顯微鏡測試了試樣表面的粗糙度，利用JEM - 2100F 場發(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.
車軸鋼被裝夾在車床主軸上，用超聲沖擊頭對試樣表面完成強化. 試驗參數(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，其它工藝參數(shù)不變，觀察強化后的試樣表面強化效果.
2 試驗結(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.左側(cè)是未處理工件的表面，右側(cè)是經(jīng)過強化后的表
面，可以發(fā)現(xiàn)右側(cè)部分光澤更好，表面很光滑.
在不同功率下試樣表面粗糙度的變化其中粗糙度值是在試樣不同位置測量后的平均值，在120、150、180W 三個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. 這是因為在工具頭的高速撞擊作用下，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.
2. 2 金相組織
將強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，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.
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.在120 、150 、180 W 三個功率作用下沖擊產(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，因為功率越高，單位時間內(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化的不斷進(jìn)行，晶粒逐漸變小，晶界變多，位錯運動阻力增大，試樣繼續(xù)發(fā)生塑性
2. 3 TEM 分析
EA4T 車軸鋼在功率180 W 作用下試樣的表層的TEM 暗場像及相應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣.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分布.
2. 4 顯微硬度
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，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區(qū)域劇烈變形層、過渡層和基體相對應(yīng). 在三個功率作用下，硬化層厚度分別為40、70 和80μm，這與試樣的顯微組織測量的變形層厚度變化規(guī)律一致.
2. 5 表面硬度提高機理
在材料的內(nèi)部，通常變形分為位錯滑移和機械孿生兩種方式，究竟采取哪種變形方式主要取決于材料的層錯能，因此具有不同層錯能材料的變形方式和變形組織存在著一定的差異. 本實驗中，EA4T 車軸鋼屬于中高層錯能金屬，塑性變形方式主要通過位錯的運動，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，并通過滑移、累積、交互作用、湮滅和重排等形成了位錯墻和位錯纏結(jié)，這些位錯墻和位錯纏結(jié)將原始晶粒分割成尺寸較小的位錯胞;隨著應(yīng)變的增加，位錯密度不斷增大，為了降低系統(tǒng)的能量，高密度位錯會在位錯墻和位錯纏結(jié)附近發(fā)生湮滅和重排，使得位錯墻和位錯纏結(jié)發(fā)展成亞晶界. 亞晶界的形成降低了位錯的密度，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分布. 同時，位錯在運動時相互交割加劇，一方面增加了位錯線的長度，另一方面產(chǎn)生了固定割階、位錯纏結(jié)等障礙，這些都會使位錯運動阻力增大，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度.
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經(jīng)驗公式，反映了材料硬度與晶粒尺寸的變化規(guī)律，就是Hall - Petch 經(jīng)驗公式:Hv = H0 + Kd-1 /2 (1)其中: HV為硬度; d 為晶粒直徑;H0，K 為常數(shù);對于普通多晶體材料K 為正值. 由Hall-Petch 經(jīng)驗公式可知隨著晶粒尺寸的減小材料的硬度提高.
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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