超聲沖擊處理時間對17CrNiMo6鋼表層組織細(xì)化與性能的影響

倪永恒，朱有利，侯 帥

(陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系，北京 100072)

隨著高速列車和風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)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(yīng)用于高鐵、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。在高速列車上，17CrNiMo6鋼主要應(yīng)用于動力傳動系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(fā)展起來的抗疲勞表面強化方法，其研究和應(yīng)用受到國內(nèi)外研究人員的越來越多的關(guān)注[8-9]。超聲沖擊處理是利用超聲波振動驅(qū)使沖擊針高速撞擊金屬表面，使金屬表層產(chǎn)生較大的塑性變形，從而引入殘余壓應(yīng)力，提高表面硬度，細(xì)化表層晶粒的表面機械強化方法，已經(jīng)在橋梁、艦船、車輛等鋼結(jié)構(gòu)焊后處理中得到了應(yīng)用[10-11]。一般認(rèn)為，劇烈的表面塑性變形會引起材料表面晶粒細(xì)化和納米化[12]，但超聲沖擊處理晶粒細(xì)化與噴丸納米化的機理有較大區(qū)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(chǎn)生高頻應(yīng)力波的傳播、反射和疊加效應(yīng)，并使被處理表面材料產(chǎn)生高應(yīng)變速率、高轉(zhuǎn)動速率和循環(huán)剪切[16-17]，從而使被沖擊材料表面在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生大深度的晶粒細(xì)化層。因此，深入研究超聲沖擊強化的晶粒細(xì)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(qū)別，對充分利用表面機械強化產(chǎn)生納米梯度結(jié)構(gòu)層，改善表層材料的綜合強韌性，進(jìn)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(jìn)行表面強化，結(jié)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(xì)化情況，并與噴丸納米化的相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果進(jìn)行比較，對超聲沖擊處理后材料的晶粒細(xì)化機理、晶粒尺寸、晶界密度進(jìn)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(yīng)力進(jìn)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(xué)成分見表1。力學(xué)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(shè)備對材料表面進(jìn)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(jìn)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(tài))。

表1 17CrNiMo6鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 17CrNiMo6 steel(mass fraction/%)

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

切取試樣，進(jìn)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(jìn)行顯微硬度測量，加載載荷0.98N，保持時間15s。

試樣經(jīng)過磨制拋光后再進(jìn)行電解拋光。電解液為10%HClO4+90%C2H5OH(體積分?jǐn)?shù)),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(fā)射掃描電鏡的背散射電子衍射系統(tǒng)表征超聲沖擊處理前后的17CrNiMo6鋼試樣表層晶粒形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面殘余壓應(yīng)力測定分析

表面殘余壓應(yīng)力測量結(jié)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(yīng)力，表面殘余壓應(yīng)力為-223.7MPa。經(jīng)超聲沖擊處理60s后，表面殘余壓應(yīng)力為-463.4MPa，殘余壓應(yīng)力數(shù)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(yīng)力為-587.2MPa，殘余壓應(yīng)力數(shù)值提高了162%。顯然，增加超聲沖擊處理時間，使材料表面產(chǎn)生了更大的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)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(yīng)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。可見，超聲沖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(tài)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(jīng)過滲碳處理，表面存在滲碳層，所以表面硬度高于基體。經(jīng)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(chǎn)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(xì)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(yīng)變速率、高轉(zhuǎn)動速率和循環(huán)剪切應(yīng)力作用，導(dǎo)致位錯密度迅速增大，產(chǎn)生大量的小角度晶界，小角度晶界不斷吸收位錯，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠼嵌染Ы纾纬尚碌木Я＃瑢崿F(xiàn)了晶粒的細(xì)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(lán)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(nèi)取向單一，較少有多余的邊界存在。從圖2(a)觀察到試樣經(jīng)超聲沖擊處理120s后，近表面區(qū)域存在密集的大角度晶界，晶粒內(nèi)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(qū)域內(nèi)晶界的數(shù)目，A為掃描區(qū)域面積(晶界密度是單位面積內(nèi)的晶界長度)。不同處理狀態(tài)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(xì)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(tǒng)計圖。可見，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(nèi)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(nèi)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(fā)生了明顯細(xì)化，而且超聲沖擊時間越長晶粒細(xì)化程度越明顯。在晶粒細(xì)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(yīng)力波傳播的疊加效應(yīng)，在短時間內(nèi)產(chǎn)生了大量的高峰值應(yīng)力，在大梯度的高峰值應(yīng)力波作用下，材料更易產(chǎn)生塑性變形，形成細(xì)化不均勻的局部細(xì)化組織。

表3 晶界密度統(tǒng)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(tǒng)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(xì)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(qū)動彈丸撞擊材料的表面，使表面產(chǎn)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(xù)撞擊材料表面，除了撞擊動能外，還會導(dǎo)入應(yīng)力波，不同的應(yīng)力波在傳播中會產(chǎn)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(chǎn)生循環(huán)剪切應(yīng)力和往復(fù)塑性變形。研究表明[16]，超聲沖擊處理時材料的應(yīng)變速率可達(dá)2000s-1，轉(zhuǎn)動速率可達(dá)10000rad/s。這種循環(huán)剪切應(yīng)力會加速位錯運動，高應(yīng)變速率會使位錯大量增殖，并使位錯來不及運動，導(dǎo)致晶粒內(nèi)位錯密度迅速增大，大量的位錯聚集使形核率增加。高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。高速晶間滑移和晶粒內(nèi)的位錯運動使得超聲沖擊處理時晶粒細(xì)化的時間明顯縮短，晶粒細(xì)化層的深度增加。另外，因為超聲應(yīng)力波的傳播和疊加，在晶粒內(nèi)部有能量的累積，加速了晶體結(jié)構(gòu)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(xiàn)象[24-25]，使材料的屈服強度下降，因而更容易發(fā)生塑性變形,所以超聲沖擊處理能在短時間內(nèi)產(chǎn)生大深度的晶粒細(xì)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(dǎo)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(jīng)120s超聲沖擊處理后，材料表面形成了約400μm深的晶粒細(xì)化層(處理60s時該晶粒細(xì)化層深度約為250μm)。與噴丸納米化相比[12-14]，晶粒細(xì)化時間明顯縮短，晶粒細(xì)化層厚度也明顯增加。該晶粒細(xì)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(jié)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(nèi)晶粒尺寸約為1～1.5μm，晶粒細(xì)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(nèi)晶粒尺寸約為200～300nm，晶粒細(xì)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(xiàn)差異，從而使材料晶粒細(xì)化表現(xiàn)出一定的非均勻性。

(2)未處理的17CrNiMo6鋼表面殘余壓應(yīng)力為-223.7MPa。超聲沖擊處理60s后，試樣表面殘余壓應(yīng)力為-463.4MPa。超聲沖擊處理120s后，試樣表面殘余壓應(yīng)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(dá)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(yīng)變速率、高轉(zhuǎn)動速率和循環(huán)剪切應(yīng)力作用下加速了位錯的運動與晶粒間的轉(zhuǎn)動。