超聲沖擊處理時間對17CrNiMo6鋼表層組織細化與性能的影響

倪永恒，朱有利，侯 帥

(陸軍裝甲兵學院 裝備保障與再制造系，北京 100072)

隨著高速列車和風力發電行業的迅速發展，相關零部件的安全可靠性問題受到越來越多的重視。17CrNiMo6鋼因高強度、高韌性和高淬透性而被廣泛應用于高鐵、風力發電等工業領域。在高速列車上，17CrNiMo6鋼主要應用于動力傳動系統的重載齒輪軸上[1]。因疲勞引起的17CrNiMo6鋼齒輪軸裂紋和斷裂故障，明顯降低了機車傳動系統機械可靠性[2-3]。機械零件的疲勞失效常源自于表面，為了提高零件的性能，延長機械裝備的整體壽命，提高其可靠性，改善材料的表面狀態是一個重要途徑[4]。噴丸強化[5]和滾壓強化[6]是用于改善零件抗疲勞性能的傳統表面機械強化方法，而超聲沖擊處理和激光沖擊強化[7]等是近年來發展起來的抗疲勞表面強化方法，其研究和應用受到國內外研究人員的越來越多的關注[8-9]。超聲沖擊處理是利用超聲波振動驅使沖擊針高速撞擊金屬表面，使金屬表層產生較大的塑性變形，從而引入殘余壓應力，提高表面硬度，細化表層晶粒的表面機械強化方法，已經在橋梁、艦船、車輛等鋼結構焊后處理中得到了應用[10-11]。一般認為，劇烈的表面塑性變形會引起材料表面晶粒細化和納米化[12]，但超聲沖擊處理晶粒細化與噴丸納米化的機理有較大區別。研究表明[13-15]，對45鋼噴丸處理約150s，在表面制得約15μm納米化層，對ST12鋼噴丸處理約15min，在表面制得約25μm納米化層，對7050鋁合金增壓噴丸處理約20min，在表面制得約100μm納米化層，而超聲沖擊處理的沖擊針擊打頻率在20000Hz左右，這會使被沖擊材料產生高頻應力波的傳播、反射和疊加效應，并使被處理表面材料產生高應變速率、高轉動速率和循環剪切[16-17]，從而使被沖擊材料表面在很短的時間內產生大深度的晶粒細化層。因此，深入研究超聲沖擊強化的晶粒細化機制，特別是處理時間的影響，并探討其與噴丸納米化的區別，對充分利用表面機械強化產生納米梯度結構層，改善表層材料的綜合強韌性，進而提高材料抗疲勞性能有著重要的意義[18-21]。

本工作利用超聲沖擊處理對17CrNiMo6鋼進行表面強化，結合背散射電子衍射方法(EBSD)對比分析不同沖擊處理時間(60，120s)時的材料表面組織細化情況，并與噴丸納米化的相關文獻研究結果進行比較，對超聲沖擊處理后材料的晶粒細化機理、晶粒尺寸、晶界密度進行分析，同時對不同超聲沖擊處理時間后的材料顯微硬度層和表面殘余壓應力進行測定和對比。

1 實驗材料與方法

實驗用材料為17CrNiMo6鋼，920℃強滲、擴散兩段法滲碳處理，(855±15)℃淬火，(190±20)℃回火，其化學成分見表1。力學性能為：抗拉強度1410MPa，屈服強度1300MPa，伸長率12%，斷面收縮率58%。超聲沖擊處理前，用無水乙醇清洗試樣表面，利用ZJ-II型超聲波沖擊設備對材料表面進行超聲沖擊處理[22]，工作電流為0.8～1.0A，振動頻率為20kHz，靜壓力為100N。為進行對比實驗分析，制備3組，每組3個試樣。第1組為超聲沖擊處理120s，第2組為超聲沖擊處理60s，第3組為未處理的對比試樣(所有試樣均為磨削態)。

表1 17CrNiMo6鋼的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of 17CrNiMo6 steel(mass fraction/%)

殘余壓應力測定采用X-350A型X射線應力測定儀，Cr靶Kα輻射，電壓28kV，電流8mA，應力常數為-318MPa，采用側傾固定ψ法，定峰方法使用交相關定峰法，掃描角度2θ為151°～161°，步距0.1°，計數時間0.5s，衍射晶面為(211)面，準直管直徑2mm，選擇0°，25°，35°，45° 4個Ψ角,防止織構對測量準確性的干擾。在試樣表面沖擊區選取3個位置點進行3次測量，取平均值作為處理后表面殘余壓應力值。

切取試樣，進行鑲樣、磨樣、拋光，用無水乙醇擦拭后吹干，使用MICROMET-6030顯微硬度計從表面到基體進行顯微硬度測量，加載載荷0.98N，保持時間15s。

試樣經過磨制拋光后再進行電解拋光。電解液為10%HClO4+90%C2H5OH(體積分數),電壓為20V，室溫下電解拋光，時間為15～30s。利用裝配在JEM-7001F型場發射掃描電鏡的背散射電子衍射系統表征超聲沖擊處理前后的17CrNiMo6鋼試樣表層晶粒形貌。

2 結果與分析

2.1 表面殘余壓應力測定分析

表面殘余壓應力測量結果見表2。超聲沖擊處理前，由于材料表面為磨削加工，機械加工引入了殘余壓應力，表面殘余壓應力為-223.7MPa。經超聲沖擊處理60s后，表面殘余壓應力為-463.4MPa，殘余壓應力數值較未處理時提高了107%。超聲沖擊處理120s后，試樣表面的殘余壓應力為-587.2MPa，殘余壓應力數值提高了162%。顯然，增加超聲沖擊處理時間，使材料表面產生了更大的殘余壓應力，殘余壓應力的引入有利于阻礙表面裂紋的萌生和擴展，從而改善材料的抗疲勞性能。

表2 表面殘余壓應力(MPa)Table 2 Surface residual compressive stress(MPa)

2.2 硬度測定分析

圖1為超聲沖擊處理后17CrNiMo6鋼試樣沿深度方向的硬度分布曲線?？梢姡暃_擊處理后在試樣表層形成了加工硬化層。硬度分布表明，超聲沖擊處理前磨削態試樣表面硬度為650HV，硬度沿深度方向減小，基體硬度為450HV，這是由于經過滲碳處理，表面存在滲碳層，所以表面硬度高于基體。經過60s超聲沖擊處理后，試樣表面的硬度為710HV，提高了9%，強化硬化層深度約為500μm。超聲沖擊處理120s后，試樣表面的硬度約為800HV，提高了23%，強化硬化層深度約700μm。實驗表明，超聲沖擊處理后材料產生了大深度的加工硬化層，從表面到基體，材料的硬度逐步下降，直到趨于原始試樣硬度，而且加工硬化程度隨著處理時間的延長而增大。

圖1 試樣沿深度的硬度分布曲線Fig.1 Relationship of hardness distribution and depth of specimens

2.3 超聲沖擊處理表面組織細化分析

2.3.1 超聲沖擊處理時間對晶界的影響

在超聲沖擊處理過程中，由于高應變速率、高轉動速率和循環剪切應力作用，導致位錯密度迅速增大，產生大量的小角度晶界，小角度晶界不斷吸收位錯，逐漸轉變為大角度晶界，形成新的晶粒，實現了晶粒的細化。圖2為超聲沖擊處理前后的試樣表面的晶界分布圖(頂部為上表面)，箭頭方向為表面沿深度方向，藍色線條為>15°的大角度晶界，綠色線條為5°～15°的小角度晶界，紅色線條為2°～5°的小角度晶界。由圖2(c)可以看出，超聲沖擊處理前材料各部分晶界分布比較均勻，微米級晶粒內取向單一，較少有多余的邊界存在。從圖2(a)觀察到試樣經超聲沖擊處理120s后，近表面區域存在密集的大角度晶界，晶粒內存在大量的小角度晶界。

晶界密度ρ=n/A[23]，其中n為掃描區域內晶界的數目，A為掃描區域面積(晶界密度是單位面積內的晶界長度)。不同處理狀態的表層晶界密度見表3。超聲沖擊處理60s后，小角度晶界密度比未處理時增加了8.71倍，大角度晶界密度比未處理時增加了9.98倍。超聲沖擊處理120s后，小角度晶界密度比未處理時增加了13.84倍，大角度晶界密度比未處理時增加了15.77倍，表明小角度晶界密度和大角度晶界密度隨著超聲沖擊處理時間的延長而迅速增加。

2.3.2 超聲沖擊處理時間對晶粒細化的影響

圖3，4為超聲沖擊處理前后表面晶粒取向分布圖和晶粒尺寸統計圖?？梢?，未處理材料表層晶粒尺寸約為8～10μm。超聲沖擊處理60s后，表層深度5～10μm范圍內的材料晶粒尺寸約為1～1.5μm。超聲沖擊處理120s后，表層深度5～10μm范圍內的材料表層晶粒尺寸約為200～300nm。在超聲沖擊處理作用下，表層晶粒發生了明顯細化，而且超聲沖擊時間越長晶粒細化程度越明顯。在晶粒細化層中明顯分布有晶粒尺寸大小不一的亞微米級組織，這是由于應力波傳播的疊加效應，在短時間內產生了大量的高峰值應力，在大梯度的高峰值應力波作用下，材料更易產生塑性變形，形成細化不均勻的局部細化組織。

表3 晶界密度統計(μm-2)Table 3 Grain boundary density statistics(μm-2)

圖4 超聲沖擊處理前后表面晶粒尺寸統計(a)120s;(b)60s;(c)未處理Fig.4 Surface grain size statistics with UIT and untreated(a)120s;(b)60s;(c)untreated

超聲沖擊處理與噴丸強化的組織細化方式有明顯的不同之處[23]。噴丸強化采用高速氣流或離心力驅動彈丸撞擊材料的表面，使表面產生塑性變形，而超聲沖擊處理過程中沖擊針以極高的頻率(約20000Hz)持續撞擊材料表面，除了撞擊動能外，還會導入應力波，不同的應力波在傳播中會產生疊加，從而使撞擊效果增加，而且沖擊針的脈動沖擊會使表層材料產生循環剪切應力和往復塑性變形。研究表明[16]，超聲沖擊處理時材料的應變速率可達2000s-1，轉動速率可達10000rad/s。這種循環剪切應力會加速位錯運動，高應變速率會使位錯大量增殖，并使位錯來不及運動，導致晶粒內位錯密度迅速增大，大量的位錯聚集使形核率增加。高轉動速率加速了晶間滑移，使晶體變形更加容易，同時加速了晶粒轉動。高速晶間滑移和晶粒內的位錯運動使得超聲沖擊處理時晶粒細化的時間明顯縮短，晶粒細化層的深度增加。另外，因為超聲應力波的傳播和疊加，在晶粒內部有能量的累積，加速了晶體結構中原子的振幅和振動頻率，造成一些不易滑移的滑移系被開動，形成超聲軟化現象[24-25]，使材料的屈服強度下降，因而更容易發生塑性變形,所以超聲沖擊處理能在短時間內產生大深度的晶粒細化層。

超聲沖擊處理時沖擊針的加速度很大，整個過程中一直有超聲振動能量的導入，圖5為超聲沖擊處理120s試樣距表面300～470μm處晶粒取向分布圖。由圖5可見(左邊為上表面)，經120s超聲沖擊處理后，材料表面形成了約400μm深的晶粒細化層(處理60s時該晶粒細化層深度約為250μm)。與噴丸納米化相比[12-14]，晶粒細化時間明顯縮短，晶粒細化層厚度也明顯增加。該晶粒細化層的形成會大幅改善表層材料的綜合強韌性，對抑制疲勞裂紋的萌生與擴展起到了重要的作用[26]。

圖5 超聲沖擊處理120s試樣距表面300～470μm處晶粒取向分布Fig.5 Grain orientation distribution within 300-470μm in depth with 120s UIT

3 結論

(1)未處理的17CrNiMo6鋼表層晶粒尺寸約為8～10μm。超聲沖擊處理60s后，表層深度5～10μm范圍內晶粒尺寸約為1～1.5μm，晶粒細化層的深度約為250μm。超聲沖擊處理120s后，表層深度5～10μm范圍內晶粒尺寸約為200～300nm，晶粒細化層的深度約為400μm。另外，超聲沖擊過程會使金屬塑性變形程度出現差異，從而使材料晶粒細化表現出一定的非均勻性。

(2)未處理的17CrNiMo6鋼表面殘余壓應力為-223.7MPa。超聲沖擊處理60s后，試樣表面殘余壓應力為-463.4MPa。超聲沖擊處理120s后，試樣表面殘余壓應力為-587.2MPa。

(3)未處理的17CrNiMo6鋼表面硬度為650HV，超聲沖擊處理60s和120s后表面的硬度分別達710HV及800HV。從表層到基體，材料的硬度逐步下降，直到趨于原始試樣硬度，且加工硬化程度隨著處理時間的延長而增大。

(4)超聲沖擊處理使17CrNiMo6鋼表層材料的小角度晶界密度和大角度晶界密度迅速增加。沖擊處理60s后，材料表面小角度晶界密度比未處理時增加了8.71倍，大角度晶界密度比未處理時增加了9.98倍。沖擊處理120s后，材料表面小角度晶界密度比未處理時增加了13.84倍，大角度晶界密度比未處理時增加了15.77倍。材料在高應變速率、高轉動速率和循環剪切應力作用下加速了位錯的運動與晶粒間的轉動。