超高强度钢强力滚压残余应力仿真与试验研究

目的研究不同强力滚压工艺参数对超高强度钢表层残余应力分布的影响。方法针对45CrNiMoVA超高强度钢的表面强化问题提出了强力滚压工艺。采用硬质合金滚压刀具,对试样施加超过2500 N的滚压力,进行强力滚压强化单因素试验。基于SEM和EBSD测试,分析强力滚压对超高强度钢表层微观组织的影响,进而对不同滚压参数下超高强度钢表层残余应力分布与表面残余应力变化进行分析。最后通过ABAQUS有限元仿真建立了超高强度钢强力滚压强化表层残余应力场预测模型,对滚压强化表层残余应力仿真值与试验值进行了对比。结果强力滚压使得超高强度钢表层的平均晶粒尺寸从0.813μm降低为0.474μm,且马氏体晶粒沿滚压方向发生了变形滑移。超高强度钢经强力滚压后,表层残余压应力由–276 MPa提升至最高–942MPa,残余压应力深度由0.2mm增加至最大0.9mm。超高强度钢强力滚压试验和仿真残余应力沿径向的分布规律一致,滚压表面残余压应力仿真值与试验值的误差小于27%。结论测试分析表明,强力滚压可有效细化超高强度钢45CrNiMoVA表层晶粒并且改善残余应力分布,残余压应力值随着滚压深度和滚压次数的增加而增大,随进给量和工件转速的增大而减小。强力滚压仿真较为准确地预测出滚压强化表层残余应力分布情况,为超高强度钢45CrNiMoVA等一类难加工材料构件的表面强化问题提供了工艺指导。

组织状态对45CrNiMoVA钢超声滚压表面完整性的影响

针对组织状态对超声滚压(USRP)表面完整性影响规律不明的问题,分别对铁素体+珠光体和回火马氏体两种组织状态下的45CrNiMoVA钢进行USRP试验,结合两种组织状态下材料动态力学性能的差异,对表面形貌及表面粗糙度、表层显微硬度、残余应力和表层微观组织进行对比分析。结果表明,较软组织状态下的材料在USRP作用下更容易实现表面光整效果,表层材料更容易发生塑性变形,导致形成更明显的表层硬化效果,但是难以形成更高幅值的残余压应力;USRP在45CrNiMoVA钢表层引入的残余压应力幅值与其组织强度大小成正比,回火马氏体组织状态下表层残余压应力易呈"勺形"分布,最大残余压应力出现在亚表面,达到-1 272 MPa,铁素体+珠光体组织状态下表层残余压应力易呈"梯度"分布,最大残余压应力出现在表面,达到-694 MPa;体心四方(BCT)晶体结构的组织在USRP作用下更容易发生晶粒细化,而体心立方(BCC)晶体结构的组织在USRP作用下以塑性变形为主。以上规律可用于指导不同组织状态下材料加工表面完整性的精准调控。

考虑磨削余量分配的齿轮钢磨削工艺优化

以40CrNiMo钢为研究对象,对原有磨削工艺进行优化,探讨减少工作台进给次数、去掉半精磨工艺对磨削质量的影响.结果表明:原有粗磨+半精磨+精磨工艺改为粗磨+精磨两道工艺是可行的,且在保持总磨削余量一定的条件下,通过减少工作台进给次数的方法可以降低粗磨过程多次走刀造成的磨削表面硬化,同时提高了加工效率;粗磨产生的磨削表面硬化对降低半精磨、精磨后的磨削表面粗糙度有利,但表面硬化伴随着磨削亚表层金相组织变化和残余应力等不利因素.

齿轮钢缓进给深磨的工艺可行性分析

以齿轮钢40CrNiMo为研究对象,保持金属去除率一定,改变磨削深度和工件进给速度,测量磨削力,计算磨削力比和磨削比能.观察磨削表面微观组织变化,测量磨削表面粗糙度、表层亚表层微硬度变化、磨削表面残余应力,探讨深切缓进给磨削在齿轮钢磨削过程中的工艺可行性.缓进给深磨对比试验表明:在等金属去除率条件下,缓进给深磨的磨削表面质量较好,加工效率高,利用缓进给深磨加工齿轮钢进行去余量加工具有很高的可行性;由于缓进给深磨热影响区较大,不适合于齿轮钢精密成形加工,必须增加精磨工序.

扭力轴花键冷打表面完整性研究

目的针对扭力轴花键冷打表面完整性规律不明的问题,研究冷打成形后花键表面的几何、力学和组织状态演变,为扭力轴花键抗疲劳制造工艺提供参考。方法将扭力轴花键冷打成形,检测、表征冷打成形后花键的表面形貌及表面粗糙度、残余应力、表层硬化和表层微观组织状态,基于高应变率下的真实应力应变曲线,对表层等效塑性应变进行分析。结果花键冷打起始与结束区域的表面存在“加工纹理不连续”、“起裂”缺陷。齿根表面形成残余压应力,达到–928.5 MPa。表层加工硬化效果明显,硬化层深度达1 mm,显微硬度和等效塑性应变沿层深呈梯度分布,显微硬度提升24.2%,等效塑性应变达到175%。表层组织发生严重塑性变形,呈“纤维状”,深度达500μm。结论扭力轴花键冷打表面质量不均匀,两端为薄弱区域,对齿根进行表面滚压处理是后续必不可少的工序。冷打成形引入的残余压应力、加工硬化和连续性的微观组织变形层对于表面完整性具有积极意义,其受后续工序的影响及演变需要进一步研究。

超高强度钢热场-超声复合滚压表层微观组织强化机制

针对超高强度钢冷塑性变形能力弱、表面形变强化难度大的问题,提出热场-超声复合滚压强化方法。开展45CrNiMoVA钢表面热场-超声复合滚压试验,利用SEM、EBSD和TEM等检测手段,结合表面层残余应力分布结果,表征、分析表层微观组织的演变与强化机制。发现在声软化效应和热软化效应耦合作用下,热场-超声复合滚压后45CrNiMoVA钢表层材料的塑性变形程度加剧,塑性变形层深度增加,表层材料发生晶粒细化,形成沿深度方向晶粒尺寸呈梯度分布的微观组织结构,细晶强化和位错强化是主要的强化机制。证明了热场-超声复合滚压方法的有效性,对超高强度钢零件表面强化处理技术的发展具有重要意义。

蓝宝石精密磨削表层热修复特性研究

蓝宝石精密磨削过程中易产生表面裂纹、微观断裂、位错等缺陷,同时也会产生残余拉应力,对后续加工及性能发挥产生不良影响。采用热修复方法对磨削后蓝宝石表层进行处理,以氩气作为保护气,在不同热修复温度、保温时间以及降温速度等条件下,对A、C、R、M面的蓝宝石晶体进行热修复试验。结果表明,热修复方法能够有效降低表面残余拉应力,同时提升表面晶格完整性,其中热修复温度1500℃时残余拉应力降幅最高,可达53%;随着热修复温度的增加以及热修复时间的增长,蓝宝石磨削表面残余应力逐渐降低,而且表面晶格完整性变好;随着降温速度增加,表面残余拉应力的降幅减小,热修复效果减弱;在不同晶向的蓝宝石中,R面蓝宝石热修复后表面残余拉应力降幅最大;通过对抛光后蓝宝石进行热修复,观察到了表层原子重新排列的台阶结构。证实热修复方法为蓝宝石的低损伤加工提供了一种有效方法。

45CrNiMoVA钢脉冲磁处理的强化机理

采用脉冲磁场对珠光体态和回火马氏体态45CrNiMoVA钢分别进行了磁化处理,基于纳米压痕实验结果,分析了脉冲磁处理对残余应力、硬度和弹性模量的影响规律;基于磁滞回线的测量和磁力显微镜的观察结果,分析了脉冲磁处理对磁畴微观组织结构的影响。结果表明,脉冲磁处理能够引起试样表面残余压应力增加;脉冲磁处理后珠光体态和回火马氏体态45CrNiMoVA钢硬度分别增加1.85%和1.84%;脉冲磁处理对珠光体态下的弹性模量影响较小,但对回火马氏体态下的弹性模量影响较大,脉冲磁处理后回火马氏体态的弹性模量增加4.48%;磁化过程中,磁畴运动引起微区材料的应力应变是导致材料力学性能强化的主要机制。