碳氮共渗M50NiL钢的磨削变质层微观组织和力学性能研究

以碳氮共渗热处理后的M50NiL钢为研究对象,对不同粒度砂轮磨削后试样的表层微观形貌、表层组织结构、残余应力、显微硬度等进行了研究分析。研究结果表明,磨削后的试样表层变质层为非常细小的形变马氏体组织+奥氏体组织,为纳米晶区,晶面扭转现象明显,奥氏体含量与磨削热有直接关系,磨削后的表面变质层可分为3个部分,0~20μm的表层磨削热变质层、20~70μm的高硬度变质层及70~200μm的扩散变质层。为降低砂轮粒度对变质层组织性能的影响,可在磨削后去除适量的表面磨削变质层,但去除量不能超过磨削热变质层区的范围,以获得最佳的材料服役特性。

Effect of rare earth addition on microstructure and corrosion behavior of plasma nitrocarburized M50NiL steel

M50NiL steel was plasma nitrocarburized at 480 °C with and without rare earth （RE） addition. The microstructures of the surface layer were characterized by optical microscopy, X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The mechanical proper-ties and corrosion resistances of the surface layer were studied by Vickers microhardness measurements and polarization tests in 3.5% NaCl solution. The results showed that RE atoms could diffuse into the surface layer of the steel and inhabit the formation ofε-Fe2–3（N,C） phase. As compared to the treatment without RE addition, RE addition further increased the surface hardness by 143 HV0.1, and further increased the thickness of the nitrocarburized layer by 39μm. Compared with the quenched bearing steel, the cor-rosion resistance of the samples nitrocarburized with and without RE addition could be significantly improved. Especially, the sample plasma nitrocarburized with RE addition exhibited the highest corrosion resistance.

M50NiL钢中的δ-铁素体分布及其对强韧性的影响

M50NiL轴承钢强韧性能特征与显微组织演变规律的研究结果表明,钢的显微组织由马氏体基体、残留奥氏体、碳化物和δ-铁素体所构成,其中δ-铁素体的面积分数在0.01%~0.125%之间;钢中Mo、V、Cr合金原子置换Fe原子固溶后,产生晶格畸变并提高内应力,δ-铁素体的硬度最高值为4.84 GPa,弹性模量的最高值为236.9 GPa。在冲击载荷作用下,冲击变形速度约为5 m·s^(-1),钢中δ-铁素体界面产生应力集中,导致δ-铁素体破碎且裂纹沿δ-铁素体界面扩展,降低钢的冲击性能,冲击吸收能量在47 J以上的试样缺口附近存在较少的小尺寸δ-铁素体相,形成宽度为600~1600μm的韧窝条带的断口形貌。在拉伸载荷的作用下,拉伸变形速度约为8μm·s^(-1),钢的基体与δ-铁素体界面经过协调塑性变形释放应力使得δ-铁素体形态、数量及分布对拉伸性能的影响不明显。

M50NiL高温渗碳轴承钢中Fe_2Mo析出相的电镜观察

应用高分辨电子显微镜(HREM)观察M50NiL高温渗碳轴承钢中的马氏体和强化相Fe2Mo的形貌、结构及其与马氏体的取向关系。分析结果表明:M50NiL高温渗碳轴承钢心部组织主要为板条马氏体,表层组织主要为片状马氏体,其亚结构孪晶的孪生面为{211}晶面族;M50NiL钢中观察到纳米级强化相Fe2Mo,长条状,宽约2～3nm;部分Fe2Mo沿马氏体的孪生面生长,生长方向为[111]M;纳米级强化相Fe2Mo与马氏体的取向关系为:{112}M//{001}Fe2Mo,[1 11]M//[100]Fe2Mo。

基于损伤力学的轴承钢旋弯疲劳寿命预测

基于连续损伤力学理论,提出了考虑真空化学热处理工艺影响的疲劳损伤模型及数值计算方法,研究了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳损伤分析及寿命预测方法。给出了本构模型、疲劳损伤演化方程和理论模型中的材料参数标定方法,基于ABAQUS平台,通过编写UMAT子程序,实现了基于硬化层影响的疲劳损伤分析的损伤力学-有限元数值计算方法;对淬火回火、渗碳及碳氮复渗2种真空化学热处理的M50NiL轴承钢,开展了旋弯疲劳试验,分析了热处理工艺对疲劳性能的影响;基于提出的疲劳损伤模型及数值计算方法,预测了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳寿命,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的适用性。

数控机床轴承钢M50NiL表面处理及性能研究

采用多弧离子镀的方法在轴承钢表面沉积了Ti N涂层,研究了偏压和弧流对轴承钢表面涂层物相组成、显微硬度、硬度和结合力的影响。结果表明,不同偏压和弧流作用下,轴承钢表面涂层的物相都主要由Ti N相、Ti相和马氏体(M)相组成,偏压和弧流的变化会改变物相的相对含量,但是物相组成不发生改变;偏压和弧流的变化会影响涂层表面白色颗粒以及显微凹坑的数量和大小;轴承钢M50Ni L适宜的离子镀偏压和弧流分别为250 V和65 A,此时涂层具有最高的硬度和结合力。

M50NiL轴承钢的奥氏体晶粒长大行为

利用Gleeble-3500型热模拟试验机研究不同加热温度（900～1200℃）和保温时间（3～60 min）下轴承钢M50NiL的奥氏体晶粒长大规律。结果表明：随着加热温度的升高和保温时间的延长,M50NiL钢奥氏体晶粒尺寸都会增大。在温度低于1100℃时,奥氏体晶粒长大较缓慢,M50NiL钢表现出良好的抗晶粒粗化能力,但是当温度升高到1200℃时,保温时间小于30 min时,奥氏体晶粒迅速长大;通过对试验数据进行线性拟合得出了M50NiL钢奥氏体晶粒长大模型。

M50NiL钢热变形过程中的物理型本构方程及微观组织演变

利用Gleeble-3500型热模拟试验机对M50NiL钢进行了温度为900~1200℃、应变速率为0.01~50 s^(-1)的热压缩试验,研究了M50NiL钢的热变形行为。结果表明:在本实验条件下M50NiL钢出现了3种组织,即具有变形晶粒和孪晶的微观组织、新形核再结晶晶粒和锯齿状晶粒的微观组织和完全动态再结晶的微观组织。Z参数值越低,动态再结晶组织就越充分,Z参数值越高,越容易形成变形晶粒和孪晶的微观组织。基于位错密度理论和Avrami形核长大动力学建立了M50NiL钢的物理型本构方程,其能够揭示动态回复和再结晶两种物理机制对流动应力的影响规律。预测的流动应力与实验数据具有很好的相关性,表明该本构方程能够准确地描述M50NiL钢在较宽温度和应变速率范围下的动态回复和动态再结晶行为。

热压缩参数对M50NiL轴承钢动态再结晶行为的影响

通过热压缩模拟试验研究了变形温度、变形量和应变速率对M50NiL轴承钢动态再结晶行为的影响。结果表明:变形温度低于900℃时,不会发生动态再结晶;温度升高到1 000℃时,再结晶进行得不充分,形成了混晶组织;当温度达到1 100℃时,动态再结晶完成充分,得到了细小均匀的等轴晶;温度升高到1 200℃时,晶粒有粗化的倾向;在变形温度为1 100℃和应变速率为10s^(-1)的条件下,随着变形量增加,动态再结晶形核率逐渐提高,当变形量增大到60%时,动态再结晶完成充分;在变形温度为1 100℃和变形量为60%的条件下,随着应变速率增大,动态再结晶形核率提高,当应变速率为20s^(-1)时,动态再结晶全部完成,得到细小、均匀分布的等轴晶。

复合表面改性对M50NiL钢拉压疲劳寿命的影响

为提高M50NiL钢的疲劳性能,在对M50NiL钢进行渗碳处理的基础上,分别进行单一磨料水射流喷丸、磨料水射流喷丸+表面超声滚压复合表面改性处理试验,研究表面形貌、表面粗糙度、残余应力场、表层硬度和疲劳寿命的关系。研究结果表明:与单一磨料水射流喷丸处理相比,复合表面改性处理可提高试样表面完整性。在表面形貌方面,复合表面改性处理试样获得了更完整的表面形貌,表面粗糙度降低了80%以上;在残余应力方面,复合表面改性处理试样最大残余压应力和最大残余应力场深度均大幅提升,表面残余压应力绝对值从870 MPa提升至1398 MPa,残余应力场深度从400μm提升到600μm;在硬度方面,复合表面改性处理试样获得了较高的硬度。在单一磨料水射流喷丸处理的基础上,复合表面改性处理进一步提升了渗碳M50NiL钢的疲劳寿命,在最大应力水平σ_(max)=800 MPa,应力比R=−1条件下,其拉压疲劳寿命较渗碳处理试样的疲劳寿命提高48.6倍,较单一磨料水射流喷丸处理试样的疲劳寿命提高1.1倍。复合表面改性处理试样疲劳寿命提升是残余压应力场、表面硬化及表面形貌改善的综合作用。

渗碳M50NiL钢磨削表面完整性特征及疲劳失效机理

用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、显微硬度计、残余应力测定仪,分析研究渗碳M50NiL钢普通磨削和精密磨削两种工艺的表面完整性特征,通过旋转弯曲疲劳实验实测两种试样的疲劳性能,并对疲劳实验结果进行模拟分析。结果表明:在不考虑表面加工缺陷的理想情况下,渗碳M50NiL钢旋转弯曲疲劳裂纹在亚表面起源;普通磨削产生的表面应力集中,将疲劳源从亚表面移至表面;精密磨削通过优化磨削工艺改善了表面变质层特征,有效抑制了加工表面应力集中敏感,将疲劳源从表面回归至亚表面;旋转弯曲疲劳寿命最高可提高30倍,平均提高15倍。

表层超硬化M50NiL钢接触疲劳失效机理

应用表面轮廓仪、维氏硬度计、残余应力X射线测定仪、光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、滚动接触疲劳试验机等,对比研究表层超硬化M50NiL钢和M50钢制圆棒试样的硬度梯度、残余应力梯度以及组织结构,实测各自滚动接触疲劳寿命,并对比分析失效过程,探讨表层超硬化M50NiL钢的疲劳失效机理。结果表明:表层超硬化M50NiL钢失效机理回归赫兹理论,为典型的接触疲劳失效特征,接触疲劳寿命大幅提高;高的表面硬度和表面残余压应力,良好的组织结构,能够完全抑制表面起始裂纹的形成,是失效机理回归赫兹理论的主要原因。

M50NiL材料复合化学热处理后残余应力的预测

为了预测渗层中残余应力的分布状态,选用不同工艺参数对M50Ni L材料进行复合化学热处理,分析不同工艺参数下渗层的硬度梯度及残余应力,研究硬度梯度与残余应力的关系,建立残余应力的预测模型。经过残余应力的测定,验证了该模型的准确性。

脱氧剂对M50NiL钢中非金属夹杂物的影响

在航空发动机用轴承钢M50NiL的真空冶炼过程中使用不同脱氧剂进行脱氧,重点研究了不同脱氧剂类型对钢中夹杂物形貌、类型、尺寸及数量密度的影响。结果表明,未添加脱氧剂时,钢中夹杂物主要为Al_(2)O_(3)和铝镁尖晶石;使用Al-RE作为脱氧剂后,钢中夹杂物的主要类型为稀土夹杂物;而使用Al-RE-Si-Mn作为脱氧剂后,钢中夹杂物类型、尺寸及分布特征与Al-RE脱氧剂基本相当。稀土元素的加入能明显改善钢中夹杂物的类型及形貌,使主要夹杂物类型由带有棱角且形状不规则的富Al_(2)O_(3)型夹杂物转变为近球形的稀土夹杂物,同时降低了钢中夹杂物的最大尺寸,以及大尺寸的Al_(2)O_(3)夹杂物数量,但过量的稀土使得钢中出现了稀土夹杂物的团聚。

磨削工艺对渗碳M50NiL钢表面变质层微观结构和性能及疲劳性能影响

本文以渗碳热处理后的M50NiL钢为研究对象,利用Vickers硬度计、XRD,TEM,HRTEM以及旋转弯曲疲劳试验仪对普通磨削和精密磨削后试样表面变质层微观结构和硬度及试样的疲劳性能进行了研究.结果表明:进刀量不同的2种磨削工艺获得的试样表面粗糙度不同,表面变质层微观结构和硬度以及试样疲劳性能差别较大.精密磨削对试样硬度产生影响的深度较小.普通磨削表面变质层奥氏体含量较多,呈现明显的奥氏体"有效晶粒"现象;精密磨削表面变质层则为非常细小的变形马氏体组织,呈现明显的纳米级马氏体"有效晶粒"现象;"有效晶粒"之间无明显的界面,且晶面扭转现象明显,相邻"有效晶粒"之间转动角度最大可达14°,同时"有效晶粒"内部晶面也存在轻微扭转现象;精密磨削工艺试样的旋转弯曲疲劳寿命约为普通磨削的13倍.

声学法评定M50NiL/M50轴承钢的弹性模量

根据固体中的弹性波理论,通过测量M50NiL及M50钢中超声横波、纵波声速及材料密度,评定了M50NiL钢退火、淬火和回火态及M50钢回火态的杨氏模量及泊松比。结果表明,M50NiL钢退火、淬火和回火态的杨氏模量差别很小,泊松比几乎相同;M50钢回火态比M50NiL钢回火态的杨氏模量大2.3%。声学法测得M50NiL钢回火态的杨氏模量与拉伸试验测定值及文献中的参考值相近,表明声学法评估材料弹性模量的方法可行。

M50NiL轴承钢淬回火组织特征及拉压疲劳裂纹的萌生

通过拉压疲劳试验及微观组织观察研究了M50NiL轴承钢淬回火组织特征及对疲劳裂纹萌生的影响作用。结果表明,试验钢的组织主要为板条马氏体,少量δ-铁素体及M_(2)C、MC碳化物;扫描电镜观察发现1070℃淬回火试样δ-铁素体及临近的聚集球状M_(2)C碳化物,δ-铁素体位于晶界处,尺寸主要为4~8μm,钢中碳化物尺寸最大为2.66μm;1100℃淬回火试样δ-铁素体相界存在大量片状的M_(2)C碳化物,尺寸在8μm以上的δ-铁素体数量增加,最大为17.51μm;1070℃淬回火试样的疲劳极限为713MPa,主要起裂源为Al_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)-CaO夹杂物,循环次数随夹杂物尺寸的增大而降低,且Al_(2)O_(3)-CaO夹杂更易引起试样的疲劳断裂;1100℃淬回火试样的疲劳极限为707MPa,主要起裂源为δ-铁素体组织缺陷,起裂源于8μm以上δ-铁素体的相界处,疲劳寿命受应力及δ-铁素体尺寸影响。

M50NiL轴承钢渗层碳化物特征与滑动磨损行为的研究

研究了M50NiL轴承钢在不同磨损时间和外加应力作用下的磨损行为和机制。结果表明:渗碳层组织为孪晶马氏体和近球状MC、M_(23)C_(6)和棒状M_(2)C型碳化物。外加应力对钢的磨损形式与形貌具有显著影响,钢的磨损形式为轻微粘着磨损和磨料磨损,摩擦因数较快保持稳定到0.02。延长磨损时间对钢的磨损性能与机制具有明显作用,磨损时间达到3万s,MC、M_(23)C_(6)、M_(2)C脱落,部分碳化物破碎形成磨料磨损。磨损时间与外加应力耦合作用显著影响钢的磨损性能与质量,磨损时间为3000 s,外加应力由0.306 MPa增至1.530 MPa,碳化物导致磨料磨损,磨损质量由0.25 mg增至0.38 mg;外加应力增至2.142 MPa,更多大尺寸碳化物脱落,导致钢的摩擦因数逐渐升高至0.037,磨损质量达到0.33 mg。

加热温度及保温时间对M50NiL钢奥氏体晶粒尺寸的影响

利用光学显微镜、场发射扫描电镜、MIAPS图像分析软件研究了加热温度(1050~1150℃)及保温时间(10~70min)对M50NiL钢奥氏体晶粒尺寸的影响。结果表明:随加热温度的升高,M50NiL钢奥氏体晶粒尺寸呈指数型增长,而保温时间与奥氏体晶粒尺寸近似呈线性关系,奥氏体晶粒尺寸增长缓慢;当加热温度从1050℃升高到1150℃时,M50NiL钢中第二相粒子不稳定,出现溶解现象,钉扎作用削弱,使晶粒尺寸变化显著。基于Sellars模型,对试验数据进行回归分析、计算,得出M50NiL钢奥氏体晶粒长大动力学方程,经验证与实测值吻合较好。