EA4T車軸鋼的超聲沖擊表面強化

梁 晨，覃作祥，陸 興

(大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

車軸是承受機車車輛質量的關鍵部件，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［1］.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重，對行車的安全性能提出了嚴峻的挑戰.疲勞損傷［2］往往發生在表面或從表面開始，然后逐漸向內部擴展并最終導致整個構件失效，造成了巨大經濟損失和安全隱患.因此，可以通過改變表面晶粒的結構、硬度或殘余應力來提高表面性能，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.

目前在實際生產中廣泛采用表面強化技術來提高車軸鋼表面性能，主要有噴丸強化、滾壓強化和感應淬火等［3-7］，這些方法取得了良好的強化效果，但也存在著一些局限性，如設備龐大，效率低，污染大，處理效果還沒有達到人們的預期［8］.超聲沖擊技術［9］作為一種有效的表面強化方法，可以使金屬表面產生彈塑性變形，晶粒減小，硬度增加，同時改變表面的殘余應力狀態、提高金屬的疲勞壽命和腐蝕性能;并且超聲沖擊設備體積小質量輕，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力，同時不受工件形狀限制，還可以與其它設備組成生產線等優特點，故可把超聲沖擊技術應用于車軸鋼的表面強化上，提高其綜合力學性能.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

試驗選用歐洲標準的EA4T車軸鋼，化學成分見表1.車軸鋼需經過調質處理，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.

表1 EA4T車軸鋼的化學成分(質量分數) %

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.試驗參數選擇為:沖擊頻率為20 kHz，工件轉速為820 r/min，沖擊3次，功率分別選取120、150和180 W進行試驗，其它工藝參數不變，觀察強化后的試樣表面強化效果.

2 試驗結果及分析

2.1 表面粗糙度分析

試樣經過超聲沖擊處理后，表面發生了明顯變化，如圖1所示.從圖中看到了明顯的分界線，其中左側是未處理工件的表面，右側是經過強化后的表面，可以發現右側部分光澤更好，表面很光滑.

圖1 EA4T車軸鋼超聲沖擊處理前后表面狀態對比照片

圖2為在不同功率下試樣表面粗糙度的變化圖，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.

圖2 超聲沖擊功率與表面粗糙度關系

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下觀察經不同功率處理后試樣橫截面金相組織，如圖3所示.由圖3(a)可看出，未經超聲沖擊處理的試樣為回火索氏體組織，細粒狀的滲碳體彌散分布在鐵素體基體上，組織較均勻.

圖3 不同功率沖擊下所得到的試樣橫截面金相組織

車軸鋼經超聲沖擊處理后，試樣表面附近發生了劇烈的塑性變形，表層組織已經模糊不清，在金相顯微鏡下難以分辨，晶粒明顯細化;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，晶粒內的變形越來越劇烈，晶粒伸長量增大，并向心部擴展;根據晶粒變形取向的不同，可大致估算出試樣經超聲沖擊處理后的變形層厚度.圖4為變形層厚度隨沖擊功率變化曲線，在120、150、180 W三個功率作用下沖擊產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增加，因為功率越高，單位時間內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行，晶粒逐漸變小，晶界變多，位錯運動阻力增大，試樣繼續發生塑性變形的難度增加，變形層厚度增加減慢.

圖4 變形層厚度與功率的關系

2.3 TEM 分析

圖5為EA4T車軸鋼在功率180 W作用下試樣的表層的TEM暗場像及相應的選區電子衍射花樣.圖5(a)可見，經過超聲沖擊處理后樣品的最表層已轉變為均勻的等軸狀納米晶，晶粒尺寸為40～50 nm，選區電子衍射花樣表明納米晶的取向呈隨機分布(圖5(b)).

圖5 試樣表層的TEM暗場像及相應的選區電子衍射花樣

2.4 顯微硬度

圖6為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，經過超聲沖擊處理后試樣發生加工硬化，表面硬度顯著增加，達到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增加，在一定深度范圍內，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律看出，可以將試樣表面分成三個區域，即硬度快速下降區、硬度緩慢下降區和硬度穩定區，它們與金相組織觀察到的三個區域劇烈變形層、過渡層和基體相對應.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律一致.

圖6 不同功率下試樣顯微硬度沿厚度方向的變化

2.5 表面硬度提高機理

在材料的內部，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作用下，產生了大量位錯，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，這些位錯墻和位錯纏結將原始晶粒分割成尺寸較小的位錯胞;隨著應變的增加，位錯密度不斷增大，為了降低系統的能量，高密度位錯會在位錯墻和位錯纏結附近發生湮滅和重排，使得位錯墻和位錯纏結發展成亞晶界.亞晶界的形成降低了位錯的密度，使得晶粒尺寸明顯減小.隨著應變的進一步增加，碎化亞晶界或晶粒的內部的進一步碎化仍將沿用同樣的機理，只是這種碎化發生在更小的尺度范圍內.晶界兩側取向差不斷增大，晶粒取向逐漸趨于隨機分布(圖7).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，另一方面產生了固定割階、位錯纏結等障礙，這些都會使位錯運動阻力增大，引起變形抗力增加，要想使金屬進一步塑性變形，就必須增大外力，于是就提高了金屬的強度［10］.

除此之外，在一定深度范圍內，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，表面的硬度逐漸減小.在傳統金屬材料中存在著一個經驗公式，反映了材料硬度與晶粒尺寸的變化規律，就是Hall-Petch經驗公式:

其中:HV為硬度;d為晶粒直徑;H0，K為常數;對于普通多晶體材料K為正值.由Hall-Petch經驗公式可知隨著晶粒尺寸的減小材料的硬度提高.

因此，可以把車軸鋼表面硬度的提高歸結為 晶粒細化和加工硬化的共同作用的結果.

圖7 超聲沖擊強化原理圖

3 結論

(1)車軸鋼經超聲沖擊處理后，表面發生了劇烈的塑性變形，晶粒明顯細化，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，試樣最表層已轉變為均勻的等軸狀納米晶，晶粒尺寸為40～50 nm;

(3)車軸鋼表面硬度的提高是晶粒細化和加工硬化共同作用的結果.

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