水平 | 靜壓力/N | 振幅/μm | 滾壓道次 |
---|---|---|---|
1 | 400 | 3 | 1 |
2 | 800 | 5 | 2 |
3 | 1 200 | 7 | 3 |
分享:超聲滾壓工藝參數(shù)對45鋼表面完整性與沖擊性能的影響
0. 引言
45鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳鋼,應(yīng)用廣泛。由45鋼材料制造的物理試樣在膨脹斷裂過程中,會經(jīng)歷復(fù)雜的加/卸載路徑、大變形過程,存在多種斷裂模式(層裂、剪切、拉伸)的競爭與耦合,其破壞位置存在一定的隨機性。為保證斷裂試驗結(jié)果的一致性,工件應(yīng)具有較高的表面完整性和斷裂性能[1-2]。表面強化技術(shù)可以在一定程度上改善工件的表面完整性,同時影響其力學(xué)性能。目前已有了多種表面強化技術(shù),包括噴丸、滾壓、激光沖擊、機械研磨等[3]。超聲滾壓技術(shù)是將超聲輔助與表面滾壓技術(shù)相結(jié)合的新型加工技術(shù)[4],廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、核工業(yè)、汽車、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[5-10]。超聲滾壓可以同時對工件施加靜壓載荷以及由超聲振動產(chǎn)生的沖擊動載荷,使工件表面產(chǎn)生較大的塑性變形,從而改變其表面完整性并影響其力學(xué)性能。
超聲滾壓工藝參數(shù)的選擇直接決定了材料表面強化效果。ZHANG等[11]對17Cr2Ni2MoVNb鋼進行了不同靜壓力下的超聲滾壓處理,發(fā)現(xiàn)隨著靜壓力增加,材料表面晶粒逐漸細化,顯微硬度明顯提高,殘余壓應(yīng)力也隨之增大。LI等[12]研究發(fā)現(xiàn),多道次超聲滾壓處理顯著改變了Ti-6Al-4V合金試樣的表層微觀結(jié)構(gòu),進而改善了其微動磨損性能。耿紀龍等[13]研究發(fā)現(xiàn),超聲表面滾壓處理后AZ31B鎂合金的顯微硬度提高,表面粗糙度下降,強度增加,塑性下降。陳蔚清等[14]研究發(fā)現(xiàn),超聲滾壓處理后7B85合金試樣的顯微硬度、抗拉強度以及屈服強度較處理前均有所提高,且表面粗糙度降低。值得注意的是,超聲滾壓參數(shù)選擇不當會導(dǎo)致工件發(fā)生嚴重的塑性變形,使力學(xué)性能降低[11-13]。
目前,研究多集中于超聲滾壓對工件表面粗糙度、表面組織、表面硬度和表面殘余應(yīng)力影響的研究,有關(guān)超聲滾壓參數(shù)對材料表面完整性與沖擊性能綜合影響的研究報道較少。為此,作者設(shè)計了以靜壓力、振幅、滾壓道次等超聲滾壓工藝參數(shù)為因素,以表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度和沖擊吸收功為響應(yīng)的正交試驗,研究了超聲滾壓處理參數(shù)對45鋼表面完整性與沖擊性能的影響,以期為推動超聲滾壓技術(shù)在物理研究試樣制造領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用提供支撐。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為軋制退火態(tài)45鋼棒料,由攀鋼集團有限公司生產(chǎn),退火溫度為900 ℃。車削棒料得到尺寸為?150 mm×12 mm的圓餅試樣,采用HK30C-F型毫克能設(shè)備進行超聲滾壓,工具頭為直徑8 mm球形滾珠,滾壓線速度為1 m·min−1,壓入量為1 mm。設(shè)計了3因素3水平的正交試驗,因素水平如表1所示,圓餅試樣雙面均只沿一個方向進行超聲滾壓。
在超聲滾壓后圓餅試樣上,垂直于滾壓面取金相試樣,經(jīng)體積分數(shù)5%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用Zeiss Axio Observer型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。在圓餅試樣上線切割制取尺寸為57 mm×10 mm×12 mm的初始試樣,開V形缺口,缺口夾角為45°,缺口深度為2 mm,再將試樣兩端長度切短得到尺寸為55 mm×10 mm×12 mm的沖擊試樣,根據(jù)GB/T 229—2020,采用NI500C型沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗。采用402MVD型數(shù)顯顯微維氏硬度計測試截面顯微硬度,載荷為245 mN,保載時間為10 s,測試點間隔50 μm,以遠離試樣表面未受超聲滾壓影響的5 mm深度處的硬度為基體硬度,以高出基體硬度10%的硬度對應(yīng)的深度為硬化層深度[14]。采用μ-X360s型XRD殘余應(yīng)力測試儀測試試樣殘余應(yīng)力,測試區(qū)域選在距試樣樣邊緣10~15 mm區(qū)域以避免取樣過程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致的殘余應(yīng)力變化,射線入射角度為35°,鉻靶,Kα射線,電壓為40 kV,電流為250 mA;深度方向殘余應(yīng)力通過對圓餅試樣進行逐層電解腐蝕來測試,電解液為飽和NaCl溶液,每腐蝕30 s測試剝層深度和殘余應(yīng)力。采用Surtronic S-100型手持式粗糙度儀測試表面粗糙度。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 正交試驗結(jié)果
由表2和圖1可知,不同工藝參數(shù)超聲滾壓后試樣的表面粗糙度均不高于0.16 μm,遠低于超聲滾壓前(0.52 μm);隨著靜壓力在800~1 200 N且振幅在5~7 μm間增加,試樣的表面粗糙度增大,這可能是因為靜壓力與振幅均較大的工況下,試樣表面受到嚴重沖擊,產(chǎn)生了表面損傷;滾壓道次對表面粗糙度影響較小。當靜壓力為800 N、振幅為5 μm、滾壓道次為3時,表面粗糙度最小。
試樣編號 | 靜壓力/N | 振幅/μm | 滾壓道次 | 表面粗糙度/μm | 表面殘余應(yīng)力/MPa | 硬化層深度/μm | 沖擊吸收功/J |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 400 | 3 | 1 | 0.13 | -513.9 | 130 | 13.3 |
2 | 400 | 5 | 2 | 0.07 | -509.3 | 110 | 11.7 |
3 | 400 | 7 | 3 | 0.13 | -512.0 | 190 | 16.3 |
4 | 800 | 3 | 2 | 0.10 | -523.2 | 190 | 12.0 |
5 | 800 | 5 | 3 | 0.06 | -556.4 | 150 | 14.7 |
6 | 800 | 7 | 1 | 0.08 | -557.2 | 270 | 10.3 |
7 | 1 200 | 3 | 3 | 0.09 | -549.5 | 270 | 12.7 |
8 | 1 200 | 5 | 1 | 0.09 | -521.0 | 350 | 10.7 |
9 | 1 200 | 7 | 2 | 0.16 | -570.7 | 230 | 13.7 |
超聲滾壓后試樣表面殘余壓應(yīng)力均大于500 MPa,較超聲滾壓前(195 MPa)明顯增大;隨著靜壓力、振幅、滾壓道次增加,試樣的表面殘余壓應(yīng)力略有增大,但隨靜壓力增加而增大的幅度減小,這可能是因為靜壓力在800~1 200 N間達到了使殘余壓應(yīng)力增加的臨界值,此時靜壓力增加會加劇工件表面損傷,引起一定程度的表面應(yīng)力釋放[15]。當靜壓力為1 200 N、振幅為7 μm、滾壓道次為3時,表面殘余應(yīng)力最大。
隨著靜壓力與振幅增加,硬化層深度增大,隨著滾壓道次增加,硬化層深度先減小后增大,其中,靜壓力為400 N、振幅為3 μm、滾壓道次為1的工況下超聲滾壓后試樣(試樣1)的硬化層深度最小,靜壓力為1 200 N、振幅為5 μm、滾壓道次為1的工況下硬化層深度最大。
未超聲滾壓試樣的沖擊吸收功為15 J。對比可知,試驗參數(shù)下超聲滾壓后試樣的沖擊吸收功幾乎全部降低,除了靜壓力400 N、振幅7 μm、滾壓道次3條件下,沖擊吸收功有微弱提升,提升了8.9%。隨著靜壓力和振幅增加,沖擊吸收功先減小后增大,隨滾壓道次增加,沖擊吸收功增大。當靜壓力為400 N,振幅為7 μm,滾壓道次為3時,沖擊吸收功最大。
2.2 方差分析
使用F檢驗對各因素進行方差分析,如表3所示。對于表面粗糙度,F0.2(2,6)和F0.25(2,6)分別為2.129,1.762,當給定顯著性水平為0.25時,F超過1.762,說明振幅對試樣表面粗糙度有顯著影響,其他參數(shù)無顯著影響。對于表面殘余應(yīng)力,F0.05(2,6)和F0.10(2,6)分別為5.143,3.463,當給定顯著性水平為0.1時,靜壓力對試樣表面殘余應(yīng)力有顯著影響,其他參數(shù)無顯著影響。對于硬化層深度,F0.05(2,6)和F0.10(2,6)分別為5.143,3.463,當給定顯著性水平為0.1時,超聲滾壓靜壓力參數(shù)對硬化層深度有顯著影響,其他參數(shù)均方均小于誤差均方,對結(jié)果無顯著影響。對于沖擊吸收功,F0.15(2,6)和F0.10(2,6)分別為2.646,3.463,當給定顯著性水平為0.15時,滾壓道次對沖擊吸收功有顯著影響,其他參數(shù)無顯著影響。
指標 | 方差來源 | 方差分析平方和 | 自由度 | 均方 | F | 顯著性 |
---|---|---|---|---|---|---|
表面粗糙度 | 靜壓力 | 0.002 064 | 2 | 0.001 032 | ||
振幅 | 0.003 327 | 2 | 0.001 664 | 2.128 23 | 顯著 | |
滾壓道次 | 0.000 517 | 2 | 0.000 259 | |||
誤差 | 0.002 109 | 2 | 0.001 054 | |||
總誤差 | 0.004 69 | 6 | 0.000 782 | |||
表面殘余應(yīng)力 | 靜壓力 | 2 401.016 | 2 | 1 200.508 | 3.586 775 | 顯著 |
振幅 | 630.139 4 | 2 | 315.069 7 | |||
滾壓道次 | 112.366 8 | 2 | 56.183 39 | |||
誤差 | 1 265.718 | 2 | 632.859 | |||
總誤差 | 2 008.224 | 6 | 334.704 | |||
硬化層深度 | 靜壓力 | 29 600 | 2 | 14 800 | 4.826 087 | 顯著 |
振幅 | 1 866.667 | 2 | 933.333 3 | |||
滾壓道次 | 8 266.667 | 2 | 4 133.333 | |||
誤差 | 8 266.667 | 2 | 4 133.333 | |||
總誤差 | 18 400 | 6 | 3 066.667 | |||
沖擊斷裂吸收功 | 靜壓力 | 4.174 183 | 2 | 2.087 091 | ||
振幅 | 1.805 531 | 2 | 0.902 765 | |||
滾壓道次 | 15.137 38 | 2 | 7.568 691 | 3.244 772 | 顯著 | |
誤差 | 8.015 768 | 2 | 4.007 884 | |||
總誤差 | 13.995 48 | 6 | 2.332 58 |
2.3 殘余應(yīng)力及顯微硬度沿層深分布
由圖2(a)可見:不同參數(shù)超聲滾壓后試樣的最大殘余壓應(yīng)力均出現(xiàn)在表面,且隨深度增加而減小,殘余壓應(yīng)力有效深度在600~800 μm。
由圖2(b)可見:不同工藝參數(shù)超聲滾壓后試樣的顯微硬度沿層深的變化趨勢基本相同,均先增大后減小;最大顯微硬度出現(xiàn)的深度不同,其中,靜壓力為1 200 N、振幅為7 μm、滾壓道次為2時超聲滾壓后試樣的最大顯微硬度出現(xiàn)的深度最大,約90 μm,靜壓力為400 N、振幅為5 μm、滾壓道次為2或靜壓力為1 200 N、振幅5 μm、滾壓道次1時的最小,約30 μm,其余試樣均在50~70 μm范圍內(nèi)。通過對比顯微硬度和殘余應(yīng)力沿層深分布特征可知,硬化層深度小于殘余壓應(yīng)力影響深度,這是因為殘余壓應(yīng)力雖在一定程度提高了顯微硬度,但應(yīng)變硬化才是影響硬化層深度的主要因素[15-17]。
由圖3可見:不同參數(shù)超聲滾壓后試樣表層區(qū)域均產(chǎn)生嚴重的塑性變形,晶粒呈細條流線狀。這種流線狀晶粒區(qū)域距表面距離在30~90 μm(標于圖左上角),與最大硬度出現(xiàn)深度相對應(yīng)。由上可知,試樣最大顯微硬度不出現(xiàn)在近表面區(qū)域,可能是因為超聲滾壓過程中產(chǎn)生了大量的熱,使得表面部分發(fā)生軟化并產(chǎn)生了再結(jié)晶[18-19]。
2.4 多目標優(yōu)化
考慮各因素對殘余應(yīng)力、沖擊吸收功、表面粗糙度的影響,以獲得綜合性能優(yōu)異的試樣,采用灰色關(guān)聯(lián)田口法對正交參數(shù)進行了多目標優(yōu)化[20]:將正交試驗結(jié)果歸一化后計算灰色相關(guān)系數(shù)、主成分分析法計算權(quán)重、計算灰色關(guān)聯(lián)度、獲得最優(yōu)參數(shù)組合。獲得的線性組合系數(shù)及權(quán)重結(jié)果見表4,灰色關(guān)聯(lián)度響應(yīng)圖見圖4,灰色關(guān)聯(lián)度越高,代表與預(yù)期目標越接近,可由此獲得最佳參數(shù)組合??芍?最佳超聲滾壓工藝參數(shù)為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓道次3,此時試樣灰色關(guān)聯(lián)度最大,即表面完整性和沖擊性能較好。
名稱 | 主成分1 | 主成分2 | 綜合得分系數(shù) | 權(quán)重/% |
---|---|---|---|---|
特征根 | 1.872 | 1.240 | - | - |
方差解釋率/% | 46.79 | 30.99 | - | - |
靜壓力 | 0.647 7 | 0.260 1 | 0.493 3 | 25.61 |
表面殘余應(yīng)力 | 0.565 6 | 0.458 9 | 0.523 1 | 27.16 |
沖擊斷裂吸收功 | 0.402 7 | 0.576 9 | 0.472 1 | 24.52 |
表面粗糙度 | 0.313 7 | 0.623 7 | 0.437 2 | 22.71 |
3. 結(jié)論
(1)隨著靜壓力、振幅增加,45鋼試樣的表面粗糙度增大,滾壓道次影響較小。隨靜壓力、振幅、滾壓道次增加,試樣的表面殘余壓應(yīng)力略有增大。隨著靜壓力與振幅增加,硬化層深度增大,隨著滾壓道次增加,硬化層深度先減小后增大。隨著靜壓力和振幅增加,沖擊吸收功先減小后增大,隨滾壓道次增加,沖擊吸收功增大。
(2)對表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力、硬化層深度和沖擊吸收功影響最大的因素分別為振幅、靜壓力、靜壓力和滾壓道次。
(3)最佳超聲滾壓工藝參數(shù)為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓3次,此時試樣灰色關(guān)聯(lián)度最大,表面完整性和沖擊性能較好。
文章來源——材料與測試網(wǎng)