高频冲击滚压处理40Cr钢的纳米化机理和综合性能研究

高频冲击滚压处理40Cr钢的纳米化机理和综合性能研究
40Cr钢在机械制造业中得到了广泛的应用,经过适当的热处理以后能够获得良好的综合力学性能,常用于轴类、齿轮以及中型塑料模具等机械零部件的制造。

但是在工作过程中会以磨损、疲劳损伤、腐蚀等机制引发失效而造成严重后果。

本文釆用高频冲击滚压设备对40Cr钢进行表面纳米化处理。

通过测量高频冲击滚压处理后距表层不同深度的硬度变化、残余压应力的变化、表面粗糙度以及利用X射线衍射仪和透射电镜等表征手段对处理后40Cr钢的微观组织进行表征,分析40Cr钢的表面纳米化机理;对比研究分析高频冲击滚压处理前后40Cr 钢的磨损量、摩擦系数、磨损形貌以及不同加载载荷下的磨损机制;最后对比研究了对应于3×10~6循环下的高频冲击滚压处理与未处理40Cr钢试样的疲劳强度。

主要结论如下:(1)经过超声冲击滚压产生大约100μm左右的硬化层;处理后试样表面与原始试样表面的最大硬度分别是318 HV和185 HV,其表层硬度提高了71.8%,经过高频冲击滚压处理之后,表层的最大残余压应力值为-861 MPa,其有效深度约为1.58 mm,同时表面粗糙度从0.8减少到0.16。

位错缠结导致晶粒细化过程、亚晶粒向纳米晶的转化和珠光体叠层结构破坏的现象构成了被加工的40Cr钢的表面纳米化机理。

(2)40Cr钢经高频冲击滚压理后,磨损量明显减少,尤其是当加载载荷为50 N 时,其磨损量分别是0.7 mg和4.7 mg,未处理40Cr试样的磨损机制随着载荷的增加由微氧化磨损和粘着磨损转变为疲劳磨损,而对去纳米化的试样的磨损机制是氧化磨损和粘着磨损,并未出现疲劳磨损。

结果表明,高频冲击滚压处理可以改
善材料的磨损性能。

(3)疲劳断口分析表明:对应于3×10~6循环的高频冲击滚压试样与未处理的40Cr钢试样相比其疲劳强度提升了18.4%。

断口观察发现疲劳裂纹都萌生于试样的表面,但是经过高频冲击滚压处理后试样的裂纹源数量比未处理试样少。