中科院金屬所MATER. SCI. ENG. A: 四種結構鋼在表面旋壓處理后的表面強化行為

【引言】

在工業中，由于結構鋼的疲勞破壞造成的事故與損失常有發生，因而如何提高結構鋼的疲勞壽命將是一個巨大的挑戰，很多研究人員正在努力解決這個難題。在過去幾十年，關于金屬材料的表面及表面層研究吸引了大家的廣泛關注，主要是由于其在結構件負載服役過程中扮演著重要角色并對疲勞壽命有著重要影響。對于一些重要的工程構件，已經證實表面強化是提高其服役壽命的一種有效方法。因此，各種表面機械強化方法逐漸發展起來，主要包括噴丸強化、超聲波噴丸強化及表面機械研磨處理等等。眾所周知，通過表面機械強化處理將獲得具有明顯梯度組織特征的硬化層，并從外表層至基體展現出連續變化的微觀組織及顯微硬度。以前對梯度組織的研究主要集中在硬化層中的晶粒尺寸分布、位錯密度及晶粒細化過程等，對于評估表面硬化層性能的參數以及影響這些參數的因素卻并沒有開展相關研究。本文將深入探討評估表面硬化層性能的關鍵指標及其影響因素，以揭示表面強化的機理。

【成果簡介】

近日，中科院金屬所張哲峰研究員與王強副研究員(共同通訊作者)利用表面旋壓強化技術對四種不同屈服強度的結構鋼進行處理，在剪切應力與壓應力作用下，表面層會形成一層硬化層。研究結果發現從表層往里隨著深度增加，表層中的晶粒被細化到不同尺度，最外表層中的晶粒可被細化到納米尺度。而且對于硬化層，一種指數型的顯微硬度模型被提出來，主要用于表征四種不同屈服強度結構鋼的表面強化行為。該成果以“Surface strengthening behaviors of four structural steels processed by surface spinning strengthening”為題發表在期刊Materials Science and Engineering A上。

【圖文導讀】

圖1：圖解說明表面旋壓強化技術

(a) 表面旋壓機構；

(b) 表面旋壓處理過程中旋壓工具產生的剪切應力與壓應力。

圖2：四種結構鋼原始態組織的SEM圖片

(a) Q235；

(b) 45#；

(c) 30CrNi2.5MoV；

(d) 50CrMnMoVNb。

圖3：四種結構鋼在表面旋壓處理前與處理后的拉伸應力應變曲線

A: Q235；B: 45#；C: 30CrNi2.5MoV；D: 50CrMnMoVNb

圖4：四種結構鋼經表面旋壓處理后表面層的顯微硬度變化

(a) Hv-d曲線；

(b) Hv₀-d曲線。

圖5：四種結構鋼表層中由表面旋壓處理誘發形成的梯度組織的SEM圖片

(a) Q235；

(b) 45#；

(c) 30CrNi2.5MoV；

(d) 50CrMnMoVNb。

圖6：四種結構鋼在表面旋壓處理前(基體)與處理后(外表層)的典型TEM圖片

(a) Q235(表面旋壓處理)；

(b) Q235(基體)；

(c) 45#(表面旋壓處理)；

(d) 45#(基體)；

(e) 30CrNi2.5MoV(表面旋壓處理)；

(f) 30CrNi2.5MoV(基體)；

(g) 50CrMnMoVNb(表面旋壓處理)；

(h) 50CrMnMoVNb(基體)。

圖7：表面旋壓處理所誘發形成的硬化層的指數型顯微硬度模型

E區域為表面強化能，用以評估3S處理引發的能量。

圖8：最大顯微硬度增加比與Hall-Petch表征

(a) 最大顯微硬度增加比H_VM/H_Vm與屈服強度之間的關系曲線；

(b) 四種結構鋼在表面旋壓處理前與處理后的Hall-Petch關系。

圖9：剪切應力與硬化層厚度表征

(a) 剪切應力與距表面的距離之間的關系曲線；

(b) 硬化層厚度λ與屈服強度之間的關系曲線。

圖10：表面強化指數

(a) 表面強化指數R與屈服強度之間的關系曲線；

(b) R在硬化層中變化規律的示意圖。

【小結】

本文利用表面旋壓強化技術對四種不同屈服強度的結構鋼進行處理，研究其表面強化行為及強化機理。從基體至外表層，四種結構鋼展現出相似的微觀組織演變，在外表層中晶粒均被細化到不同水平甚至是納米尺度，顯微硬度均有不同程度的增加而且從外表層至基體均是逐漸降低。硬化層中的顯微硬度變化可以利用指數型方程H_V=H_Vm+(H_VM-H_Vm)e^-Rd表示，四個主要參數H_VM/H_Vm，λ，R與E分別表示最大顯微硬度增加比、硬化層厚度、表面強化指數與表面強化能。研究結果表明，隨著屈服強度增加與硬化層厚度增加，H_VM/H_Vm比值一般降低。相比之下，表面強化指數R隨著屈服強度增加而增加，同時表面強化能E也主要取決于屈服強度。E/H_Vm隨著屈服強度增加而降低，說明變形越困難，這種材料吸收的能量就越小。晶粒細化引入的大量晶界與晶粒的塑性變形是造成四種結構鋼表面強化的主要因素。

文獻鏈接：Surface Strengthening Behaviors of Four Structural Steels Processed by Surface Spinning Strengthening?(MATER. SCI. ENG. A, 2017, DOI：https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.08.007)

本文由編輯部許元濤編輯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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