表面形變強(qiáng)化后GCr15鋼球的顯微組織和應(yīng)力分布*

黃志濤 田文懷

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

軸承鋼球表面形變強(qiáng)化工藝是提高鋼球質(zhì)量的一個(gè)重要手段.通過滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等機(jī)械手段在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，硬化層的深度可達(dá)0.5～1.5 mm.鋼球熱處理后進(jìn)行表面形變強(qiáng)化處理可顯著提高鋼球的表面硬度和終加工后的表面質(zhì)量，延長其接觸疲勞壽命［1-2］.

表面強(qiáng)化過程使得鋼球表面產(chǎn)生了一定的機(jī)械強(qiáng)化作用，其耐磨性得到較大改善.然而，表面強(qiáng)化后，對于材料加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，國內(nèi)的多數(shù)研究［3-6］還停留在對表面應(yīng)力分布的探索中，對表層深度方向的應(yīng)力分布研究較少;有關(guān)亞表層損傷的研究［7-8］，多數(shù)也只是針對亞表層損傷形貌特征而展開，沒有從力學(xué)性能角度系統(tǒng)地進(jìn)行分析.梅亞莉等［9］曾對不同直徑的GCr15鋼球表層進(jìn)行過應(yīng)力分析，得出殘余應(yīng)力峰值存在于亞表層中的結(jié)論，但未給出具體的應(yīng)力值.文中通過對表面強(qiáng)化加工后GCr15鋼球內(nèi)部的微觀組織進(jìn)行觀察，對表面形變強(qiáng)化后鋼球的表層結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析，以揭示材料的內(nèi)部組織特征，為指導(dǎo)生產(chǎn)及工藝改進(jìn)提供參考依據(jù).

1 材料及方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為國內(nèi)某廠提供的直徑為11.32 mm的GCr15軸承鋼球.其主要生產(chǎn)工藝為熱處理－表面形變強(qiáng)化處理－硬磨－精磨－精研.軸承鋼球的化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1.由表1中可以看出，其成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 GCr15軸承鋼球的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of GCr15 bearing steel balls

1.2 顯微組織分析方法

將軸承鋼球沿大圓面切開，制成金相樣品.經(jīng)研磨拋光后，用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，利用OLYMPUS BX51M金相顯微鏡對軸承鋼球的顯微組織進(jìn)行觀察;從試樣上切割厚度為0.5 mm的薄片，機(jī)械研磨至0.1mm，并將其沖成直徑為3mm的圓片，用電解雙噴法制備電鏡薄膜試樣.電解液采用10%的高氯酸酒精溶液，電流為4.5A，用液氮制冷，以滿足電解拋光過程所需的溫度要求.利用JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM)對材料的微觀組織形態(tài)進(jìn)行觀察、分析.

利用DMax-RB RKW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(XRD)測定鋼球殘余奧氏體的含量(體積分?jǐn)?shù)).測試條件為:Cu靶，波長0.15406nm，工作電流100mA，工作電壓40 kV，步寬0.02°，步進(jìn)時(shí)間1 s.根據(jù)《GB/T 15749—1995定量金相手工測定法》，利用其中的網(wǎng)格數(shù)點(diǎn)法估算碳化物的含量.

1.3 表面層殘余應(yīng)力及顯微硬度的測定

利用MSF-2M型X射線應(yīng)力測定儀對鋼球進(jìn)行表層應(yīng)力測定，測定部位分別為距表面0.05、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 mm處.測量中需對鋼球進(jìn)行電解剝層，以對上述不同深度的殘余應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測定.所用電解液為10%的NaCl溶液，電壓為10 V.殘余應(yīng)力測試條件為:Cr靶，光闌發(fā)射角1°，管電流10mA，管電壓30 kV，輻射面積9 mm2，無濾波片.利用DHV-100數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)，由軸承鋼球外表面沿對應(yīng)的徑向向內(nèi)部進(jìn)行硬度測定，確定鋼球沿直徑方向的硬度分布狀態(tài).

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承鋼球的內(nèi)部組織表征

2.1.1 軸承鋼球的基體顯微組織分析

圖1為軸承鋼球基體的金相顯微組織及其TEM照片.從圖1(a)中可以看出，基體組織為回火隱晶馬氏體、粒狀碳化物及少量殘余奧氏體的混合體.圖1(b)中顯示的白色部分為殘余奧氏體，其沿隱晶馬氏體邊界分布，形態(tài)有薄膜狀和塊狀兩種.

利用透射電鏡對圖1(a)中所示的粒狀碳化物進(jìn)行了組織觀察和晶體結(jié)構(gòu)分析.圖2(a)為粒狀碳化物的明場像，可以看出碳化物呈球形，直徑為500nm左右.圖2(b)為球狀碳化物的電子衍射譜圖，經(jīng)分析可知，晶體結(jié)構(gòu)屬于以面心立方為基的結(jié)構(gòu)類型.圖3(a)、3(b)分別為球狀碳化物和基體的微區(qū)能譜(EDS)圖，兩相的具體化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表2.由表2中可以看出，球狀碳化物的碳含量相對較高，且含有Fe、Cr等元素.由于Fe、C原子比接近3.5∶1，因此可以認(rèn)定球狀碳化物與碳素鋼中Fe3C的結(jié)構(gòu)類似，屬M(fèi)3C型碳化物.

圖1 GCr15軸承鋼球基體的金相顯微組織及其TEM照片F(xiàn)ig.1 Matrix metallographic microstructure and its TEM image of GCr15 bearing steel balls

圖2 GCr15軸承鋼球中碳化物的TEM明場像與電子衍射譜圖Fig.2 Electron diffraction pattern and TEM bright field image of carbides in GCr15 bearing steel balls

圖3 GCr15軸承鋼球中碳化物和基體的EDS譜圖Fig.3 EDS patterns of carbide and matrix in GCr15 bearing steel balls

表2 碳化物和基體的EDS成分Table 2 Composition of carbide and matrix determined by EDS

2.1.2 軸承鋼球亞表層的顯微組織

圖4為軸承鋼球亞表層及基體的顯微組織觀察結(jié)果.從圖中可知，其組織可分3部分:首先在距離軸承鋼球表面約20～30 μm以內(nèi)存在一細(xì)密組織層;其次是距離軸承鋼球表面300 μm以內(nèi)的區(qū)域，為殘余應(yīng)力區(qū)域，這在下文2.2.1和2.2.2節(jié)殘余應(yīng)力和硬度分布的測定結(jié)果中也得到了證實(shí);最后為離軸承鋼球表面300μm以外的部分，即未受加工過程影響的基體區(qū)域.

2.1.3 殘余奧氏體含量

殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)φA按下式計(jì)算:

式中，φC為碳化物體積分?jǐn)?shù)，KA、KM分別代表奧氏體相和馬氏體相的反射本領(lǐng)，IA、IM分別為奧氏體和馬氏體的積分強(qiáng)度.

圖5為2θ/θ偶合連續(xù)掃描所得的XRD譜及衍射面標(biāo)定結(jié)果.由于《GB 8362—87鋼中殘余奧氏體定量測定X射線衍射儀法》只適用于中、低碳鋼和中、低碳低合金鋼中殘余奧氏體含量的測定，而GCr15鋼屬高碳合金鋼系，因此，參考X射線定量相分析方法，使用直接比較法測定鋼中殘余奧氏體的含量［10］，來進(jìn)行部分參數(shù)的計(jì)算.經(jīng)計(jì)算可得: KA(200)=117.30、KA(311)=104.19、KM(200)=35.99和KM(211)=75.41.

為得到精確的衍射線積分強(qiáng)度，選A(200)、A(311)、M(200)和M(211)衍射峰進(jìn)行2θ/θ偶合步進(jìn)掃描，形成4對馬氏體－奧氏體線對，從而得到4個(gè)殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，然后算出平均值，即得樣品的殘余奧氏體含量.

圖4 GCr15軸承鋼球表層的顯微組織Fig.4 Microstructure of surface layer of GCr15 bearing steel balls

圖5 GCr15軸承鋼球的XRD譜圖Fig.5 XRD pattern of GCr15 bearing steel balls

圖6為所選衍射峰的XRD譜圖.從圖中可以看出，曲線以下的面積即為積分強(qiáng)度，扣除本底影響后可得到計(jì)算所需的積分強(qiáng)度，即凈積分強(qiáng)度I，如圖中所示曲線封閉區(qū)的面積.測定結(jié)果已在該圖中標(biāo)出.

根據(jù)GB/T 15749—1995，利用其中的網(wǎng)格數(shù)點(diǎn)法計(jì)算碳化物的含量，計(jì)算結(jié)果為:φC=23.5%.將φC及所得的K與I值分別代入式(1)中，得出4組φA值，取其平均值，計(jì)算結(jié)果為φA=9.75%.

2.2 軸承鋼球應(yīng)力分布

2.2.1 殘余應(yīng)力分布

利用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力沿層深的分布時(shí)，經(jīng)腐蝕剝層后所測的表面殘余應(yīng)力并不等于原始狀態(tài)時(shí)此層處的殘余應(yīng)力，為此，需對對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.修正依據(jù)［11］為式(2)－(4):

式中:σ(i)為修正后殘余應(yīng)力值;σi為試驗(yàn)所測殘余應(yīng)力值;σo(ij，j)與 σo(j+1，j)為修正參數(shù);σo(i，i－1)為第i－1層剝掉后對第i層殘余應(yīng)力影響的修正系數(shù)，其它同類型項(xiàng)依次類推;H為試樣厚度;Δh為剝層厚度.

圖7為GCr15軸承鋼球表層未修正及修正后的殘余應(yīng)力分布曲線對比圖.由圖中可知，軸承鋼球表層應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力.殘余壓應(yīng)力由表面向內(nèi)部先增大再減小，最大值(－414MPa)出現(xiàn)在距表層0.1mm處;在表層0.3mm以下部分，應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定.由此可見，經(jīng)表面形變強(qiáng)化后，鋼球表層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，且應(yīng)力最大值沒有出現(xiàn)在表面，而是出現(xiàn)在亞表層中.

圖6 GCr15軸承鋼球各衍射峰的XRD譜圖Fig.6 XRD patterns of diffraction peaks of GCr15 bearing steel balls

圖7 GCr15軸承鋼球表層沿徑向方向的殘余應(yīng)力分布Fig.7 Residual stress distribution along the diameter from surface layer of GCr15 bearing steel balls

2.2.2 硬度分布

圖8為GCr15軸承鋼球從外表面向內(nèi)、沿直徑方向的硬度分布測定結(jié)果.由圖8中可以看出，GCr15軸承鋼球的基體平均硬度為HV883.6，硬度最大值為HV931.5，出現(xiàn)在距鋼球表面0.1 mm附近.該最大值遠(yuǎn)大于基體平均硬度HV883.6.在距離表面0.3mm以內(nèi)，硬度值逐漸接近基體的平均硬度.因此可以認(rèn)為，強(qiáng)化區(qū)深度在0.3～0.5 mm之間.很明顯，硬度分布測定結(jié)果與應(yīng)力測試結(jié)果較符合.這進(jìn)一步說明材料經(jīng)形變強(qiáng)化及研磨后，受影響較大的部位不是表面，而是在表面以下某一深度的亞表層.

圖8 GCr15軸承鋼球表層沿徑向方向的硬度分布Fig.8 Hardness distribution along diameter from surface layer of GCr15 bearing steel balls

通常，殘余應(yīng)力的大小應(yīng)與殘余變形的大小成正比，表面殘余變形較大殘余應(yīng)力也應(yīng)較大.結(jié)合2.2.1節(jié)中殘余應(yīng)力分布的測定結(jié)果，可用彈性理論［12］及文獻(xiàn)［13］中結(jié)果來解釋鋼球經(jīng)表面形變強(qiáng)化后殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生及分布規(guī)律.由于軸承鋼球基體具有較高的硬度和強(qiáng)度，在通常的外力作用下很難發(fā)生塑性變形，因此會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微小的彈塑性變形，使得該區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力，即產(chǎn)生殘余應(yīng)力層.強(qiáng)化過程中，鋼球表層將發(fā)生殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變，體積膨脹受到內(nèi)層約束，故而受壓.由于作用于鋼球表面上的垂直壓力足夠大時(shí)，塑性變形始于內(nèi)部，最大靜態(tài)剪切應(yīng)力出現(xiàn)在亞表層某一深度處，同時(shí)由于表面屬于二維平面結(jié)構(gòu)，釋放了部分已產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得殘余應(yīng)力最大部位并不在表面而是存在于亞表層中.生產(chǎn)中，工件表面層的殘余壓應(yīng)力可抵消部分工作時(shí)的拉應(yīng)力，使其受力水平降低，從而有效提高工件的壽命.

3 結(jié)論

(1)GCr15軸承鋼球的基體組織為回火隱晶馬氏體、球狀碳化物以及少量殘余奧氏體的混合體.

(2)球狀碳化物與碳素鋼Fe3C結(jié)構(gòu)類似，屬M(fèi)3C型碳化物，殘余奧氏體含量為9.75%，在隱晶馬氏體晶界處以薄膜狀和塊狀兩種形態(tài)存在.

(3)鋼球表面形變強(qiáng)化后，在GCr15軸承鋼球的表層產(chǎn)生了殘余應(yīng)力層，其分布深度大約為0.3mm，殘余應(yīng)力峰值并不在表面而是存在于亞表層中，即在距離表面下0.1mm附近.殘余應(yīng)力的分析對生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)力的去除及利用具有重要的參考價(jià)值.

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