劉 宇，王立君，王東坡，王 穎

超聲表面滾壓加工40Cr表層的納米力學(xué)性能

劉 宇，王立君，王東坡，王 穎

(天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

研究了超聲表面滾壓加工40Cr表層的力學(xué)性能. 采用納米壓痕實驗測定了表層的彈性模量、納米硬度和殘余應(yīng)力. 實驗結(jié)果表明：經(jīng)過超聲表面滾壓后，40Cr表層的彈性模量和硬度都得到顯著提高，最大值均位于表面，往復(fù)加工3遍的表面彈性模量和硬度分別為217.16,GPa和3.588,GPa，加工6遍的表面彈性模量和硬度分別為224.8,GPa和3.857,GPa；同時表層獲得一定數(shù)值的殘余壓應(yīng)力，最大值位于表面并隨著加工遍數(shù)的增加而增大. 對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)往復(fù)加工次數(shù)對表層的力學(xué)性能有重要的影響.

超聲表面滾壓加工；40Cr；納米壓痕；力學(xué)性能

工程結(jié)構(gòu)的失效多數(shù)始于材料表面，如疲勞、腐蝕和摩擦磨損等，所以提高材料的表面質(zhì)量對于延長工程部件的服役壽命有著重要的意義．表面納米化技術(shù)能夠在材料表面制備出一定厚度的納米晶層，從而將納米材料的優(yōu)異性能與傳統(tǒng)工程材料相結(jié)合，其中以表面自納米化技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，如表面機械研磨、高能噴丸、超聲噴丸和超音速微粒轟擊等[1-3]．然而，不恰當(dāng)?shù)奶幚砉に嚂斐刹牧媳砻鏍顟B(tài)的惡化，產(chǎn)生壓痕交疊、微裂紋等表面缺陷，引起應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的疲勞強度，加快腐蝕和磨損[4-5]．

超聲表面滾壓加工(USRP)作為一種新興的超聲輔助表面改性方法可以兼顧晶粒細(xì)化、加工硬化與表面粗糙度等問題．

已有的針對USRP的研究僅限于表面微觀結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對使用性能的影響，表層的力學(xué)性能還未涉及．因此筆者通過納米壓痕實驗研究USRP處理后材料表層的力學(xué)性能．納米壓痕法可以測量微小體積材料力學(xué)響應(yīng)并確定其力學(xué)性能參數(shù)．納米壓痕實驗可以連續(xù)記錄載荷(P)和壓痕深度(h)隨時間的變化，其中，載荷和位移的分辨率分別達(dá)到nN和nm數(shù)量級，引起材料變形的體積一般在100,μm以內(nèi)，因此可以從微小體積材料的P-h曲線物理反解析提取需要的力學(xué)性能參數(shù)．

整套加工系統(tǒng)包括超聲表面滾壓裝置，輔以數(shù)控車床，如圖1所示．?dāng)?shù)字超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的20,kHz高頻電振蕩信號經(jīng)壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換成相同頻率的機械振動，并由變幅桿放大再傳給可滾動的加工工作頭．同時，安裝在USRP執(zhí)行機構(gòu)底部的強力彈簧提供穩(wěn)定的靜壓力．在一定的車床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度下，工作頭將超聲頻振動和靜壓力傳遞到機械零部件表面，使金屬材料表面產(chǎn)生大幅度的彈塑性變形．加工后，工件表面產(chǎn)生一定的彈性恢復(fù)，反復(fù)的塑性變形使晶粒碎化，逐漸達(dá)到納米級[6]．加工平面時將軸端面或平面試件固定在數(shù)控車床的主軸上，USRP執(zhí)行機構(gòu)安裝在進(jìn)給機構(gòu)上，使加工工作頭垂直壓在軸端面上．

1 超聲表面滾壓加工原理

圖1 超聲表面滾壓加工示意Fig.1 Schematic diagram of USRP working

2 實驗方法

2.1 實驗材料

鑒于超聲表面滾壓加工處理的主要對象為軸類零部件，因此選用供貨態(tài)40Cr鋼，并車削成直徑為60,mm的軸，保證軸端面絕對水平．

2.2 超聲表面滾壓實驗

滾動工作頭采用直徑為15,mm的硬質(zhì)合金球．整個加工過程采用冷卻液冷卻并潤滑．加工參數(shù)為車床主軸轉(zhuǎn)速246,r/min、進(jìn)給速度10,mm/min、靜壓力200,N、工作頭振幅6,μm，往復(fù)加工3遍和6遍．

2.3 納米壓痕實驗

采用線切割切取包含超聲表面滾壓加工面在內(nèi)的、截面為8,mm×8,mm的正方體試樣．每一試樣先依次用400、800、1200、1500、2000號的SiC砂紙仔細(xì)研磨，再依次用3.0,μm，1.0,μm和0.5,μm的K形鋁懸浮液拋光．為研究力學(xué)參數(shù)由表面到基體的變化規(guī)律，從試樣的側(cè)面選取8個測試點，其分布如圖2所示[7]．

圖2 壓痕位置分布Fig.2 Distribution of the indentation locations

實驗采用美國MTS公司生產(chǎn)的Nano Indenter XP型納米壓痕儀．該設(shè)備的位移分辨力為0.01,nm，載荷分辨力為50,nN，壓頭為Berkovich金剛石壓子．加載速率和卸載速率均為10,mN/s．最大載荷為300,mN，對應(yīng)最大載荷的保持時間為30,s．為避免相鄰壓痕的應(yīng)力場交疊，影響測量結(jié)果，以上所有測試中的相鄰壓痕中心之間的距離都設(shè)置為400,μm．每一測試條件下對試樣至少進(jìn)行3次測量，然后取平均值[8-9]．

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 納米壓痕實驗原理

通過納米壓痕的載荷-位移曲線可以推算出納米硬度H和彈性模量E這2個最常見的力學(xué)參量．納米壓痕法測量材料的硬度可以表示為

式中：H為納米硬度；P為載荷；A為該載荷下的投影接觸面積．則彈性模量求解公式為

式中：E和ν分別為彈性模量和泊松比；下標(biāo)i表示壓頭；Er為約化的彈性模量；β為壓頭非對稱的修正系數(shù)(對Berkovich壓頭，β=1.034)；S為彈性接觸剛度．

通過計算投影接觸面積A和彈性接觸剛度S即可獲得納米硬度和彈性模量．本文采用最常用的Oliver-Pharr法獲得壓痕的投影接觸面積[10-12]．圖3給出了一次完整加卸載過程的載荷-位移曲線．圖中：Pmax和hmax為最大載荷和最大壓入深度；上段卸載曲線的斜率S為彈性接觸剛度，C為實驗待定系數(shù)．通常，材料與壓頭的真實接觸深度hC小于壓入的深度，hC估算式為

式中ε為與壓頭形狀相關(guān)的常數(shù)，對Berkovich壓頭ε=0.75．投影接觸面積A通常對應(yīng)于經(jīng)驗測定的壓頭面積函數(shù)，對Berkovich壓頭，有

圖3 一次完整加卸載過程載荷-位移曲線Fig.3 Schematic diagram of load-depth curve during one complete cycle of loading and unloading

3.2 納米壓痕實驗曲線分析

2種加工遍數(shù)下40Cr表層的納米壓痕實驗曲線見圖4和圖5．從圖中可以明顯看出，越靠近表面最大壓入深度和剩余壓痕深度越?。?遍USRP處理后表面的最大壓入深度為1,930,nm，距離表面500,μm處的最大壓入深度為2,354,nm．6遍USRP處理后表面的最大壓入深度為1,833,nm，500,μm深處的最大壓入深度為2,216,nm，說明越靠近表面材料的強化效果越好．

6遍USRP處理后表層各深度處的最大壓入深度和剩余壓痕深度值比3遍USRP處理的集中，且數(shù)值更?。@是因為隨著加工遍數(shù)的增加，表面強化的程度越深，強化的影響范圍越大．可見，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，逐漸增加的加工遍數(shù)對超聲表面滾壓處理效果有著顯著的影響．

圖4 超聲表面滾壓加工3遍表層各深度載荷-位移曲線Fig.4 Load-depth curves of surface layer after 3 repeated USRP

圖5 超聲表面滾壓加工6遍表層各深度載荷-位移曲線Fig.5 Load-depth curves of surface layer after 6 repeated USRP

3.3 超聲滾壓表層的彈性模量

在各測試點的泊松比都相同、且等于0.3的前提下，由實驗得到的2種加工遍數(shù)下材料的彈性模量隨深度的變化曲線如圖6所示．可以看出表面的測量值最大，隨著深度的增加彈性模量逐漸減?。?遍USRP處理對應(yīng)的表面測量值為217.16,GPa，6遍USRP處理對應(yīng)的為224.8,GPa．當(dāng)深度達(dá)到100,μm后，3遍USRP處理得到的表層彈性模量變化趨勢減緩并趨于穩(wěn)定，而對于6遍USRP處理，測量值的轉(zhuǎn)折點大致在200,μm左右．當(dāng)深度為500,μm時，3遍USRP處理的測量值降為209.9,GPa，與基體的彈性模量幾乎相同，說明3遍USRP處理對彈性模量的影響深度大約為500,μm．這一深度對應(yīng)的6遍USRP處理測量值為210.5,GPa，隨著深度的增加，這一數(shù)值會繼續(xù)減小到與基體相同，而加工遍數(shù)的增加顯然影響著彈性模量的變化范圍．

從彈性模量的增加可以看出，經(jīng)過超聲表面滾壓后，材料表層的剛度變大．彈性模量是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映，凡是影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、微觀組織和溫度等．超聲表面滾壓加工依靠強烈塑性變形誘發(fā)金屬表面納米化．40,Cr屬于高層錯能金屬，塑性變形的主要方式為位錯移動．經(jīng)過強烈的塑性變形，材料表層的位錯通過滑移、積累、交互作用、湮滅和重排等形成位錯墻和位錯纏結(jié)，將原始晶粒分割成尺寸較小的位錯胞，并進(jìn)一步發(fā)展成小角度的亞晶界．當(dāng)更多的位錯在亞晶界處產(chǎn)生和湮滅時，晶界兩側(cè)的取向差不斷增大，晶粒取向也趨于隨機分布[6]．同時，在加工的過程中滲碳體會發(fā)生細(xì)化，甚至溶解．此外，在較高壓力、較大應(yīng)變時，固體材料視為可壓縮流體，材料的體積和密度會發(fā)生變化．這些因素都會在小范圍內(nèi)造成彈性模量的波動．

圖6 不同加工遍數(shù)的表層彈性模量沿深度方向變化Fig.6 Variation of the elastic modulus along the depth for different processing times

3.4 超聲滾壓表層的硬度

納米壓痕實驗得到的硬度實際上是單位投影接觸面積所承受的載荷．圖7給出了2種加工遍數(shù)下，表層納米硬度隨深度的變化曲線．與彈性模量的變化規(guī)律類似，表面的納米硬度值最大，3遍USRP處理的測量值為3.588,GPa，6遍USRP處理的為3.857 GPa. 隨著距表面距離的增加，2條曲線都呈現(xiàn)急劇下降的開始段、緩慢下降的中間段和基本恒定的穩(wěn)定段．3遍USRP處理的納米硬度在深度達(dá)到100,μm后就進(jìn)入緩慢變化階段，并在200,μm處達(dá)到2.694,GPa的穩(wěn)定值，即基體的硬度．6遍USRP處理的納米硬度變化得較為均勻，在深度達(dá)到300,μm后才趨于穩(wěn)定．整體上，6遍USRP處理的各壓痕點納米硬度均較3遍USRP處理的有可觀的增加，不僅體現(xiàn)在最大硬度值上，而且體現(xiàn)在高硬度值的分布區(qū)域上．

圖7 不同加工遍數(shù)的表層納米硬度沿深度方向變化Fig.7 Variation of the hardness along the depth for different processing times

3.5 超聲滾壓表層的殘余應(yīng)力

表面自納米化方法的一個重要特征就是在材料表層引入殘余壓應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的疲勞強度和腐蝕抗力等．超聲表面滾壓加工會在材料表面引入高數(shù)值的殘余壓應(yīng)力，分析表層的殘余應(yīng)力分布對研究材料的其他性能有重要的幫助．理論和實驗均證實納米硬度H不受任何預(yù)存的殘余應(yīng)力影響，據(jù)此可以由納米壓痕實驗曲線確定材料的殘余應(yīng)力[13]．

分別定義P0、A0和P、A為無殘余應(yīng)力和有殘余應(yīng)力時的載荷和壓頭投影接觸面積，D0和D為實驗待定系數(shù)，根據(jù)硬度的不變性有

對于無殘余應(yīng)力和有殘余應(yīng)力的情況，加載段曲線和壓頭接觸面積分別表示為

結(jié)合式(6)～式(8)可得

設(shè)空間三向應(yīng)力的x、y軸在材料表面內(nèi)，z軸垂直于材料表面，即沿載荷方向．壓痕處的等雙軸殘余拉應(yīng)力，可以等效成拉伸靜應(yīng)力加上一個單軸的壓應(yīng)力分量．在有殘余拉應(yīng)力的材料上施加載荷P1，相應(yīng)的壓入深度為h1，如圖8所示．用F表示這一點，保持此壓入深度不變，將材料的殘余應(yīng)力釋放掉，即在h2=h1處將降為0．為保持納米硬度不變，在釋放殘余拉應(yīng)力時，材料應(yīng)力狀態(tài)的變化必須是靜態(tài)的．這一靜態(tài)力抵消了原來的等雙軸殘余拉應(yīng)力，同時引入一個大小為Hσ的法向壓縮應(yīng)力．這個附加的應(yīng)力產(chǎn)生了一個沿載荷方向的大小為HσA的差值力．所以，當(dāng)殘余拉應(yīng)力釋放后，載荷-位移曲線上的點從F移動到E，加載力在壓入深度相同的情況下從P1增加到P2，即

結(jié)合式(7)～式(9)可得

再分析圖9中的加載歷程，先施加載荷P1，對應(yīng)的壓入深度為h1，如圖中的點K所示．壓入狀態(tài)從點K變?yōu)辄cN需經(jīng)歷2步．首先，由點K到點M，載荷從P1減小為P2，即

然后，由點M到點N，在載荷P2不變的情況下，壓入深度從h1減小為h2，所以有

殘余壓應(yīng)力的推導(dǎo)方法與拉應(yīng)力的類似，唯一不同的是考慮壓應(yīng)力促使壓頭與材料緊密接觸，需引入sinα 因子，其中，α為壓頭邊界與材料表面的夾角，對于Berkovich壓頭，α=24.7°．殘余壓應(yīng)力的求解公式為

圖8 在固定壓痕深度下從點F到點E時因殘余拉應(yīng)力釋放導(dǎo)致的壓痕載荷增量Fig.8 An increase in indentation load due to the release of the tensile residual stress for change from point F to point E at a fixed penetration depth

圖9 有無殘余應(yīng)力時從點K變化到點N的壓痕條件Fig.9 Variation of indentation condition from point K to point N for material with and without tensile residual stress

按照上述推算方法求得超聲表面滾壓后40Cr表層的殘余應(yīng)力，如圖10所示．可以看出，在距離表面500,μm以內(nèi)，2種加工遍數(shù)下的表層殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且最大殘余應(yīng)力均出現(xiàn)在表面，對應(yīng)3遍和6遍USRP處理的測量值分別為976,MPa、1,169,MPa．隨著距表面距離的增加，殘余壓應(yīng)力值不斷減?。?遍USRP處理后表層各深度的殘余應(yīng)力水平明顯大于3遍USRP處理的，表明至少在小范圍加工遍數(shù)內(nèi)，增加往復(fù)加工次數(shù)可以提高殘余應(yīng)力值并擴大殘余應(yīng)力分布深度．將相同工藝參數(shù)下的表層殘余應(yīng)力XRD測量值與推算結(jié)果進(jìn)行對比，兩者吻合得較好，沒有明顯的偏差，說明采用納米壓痕實驗預(yù)測殘余應(yīng)力簡便可行．

圖10 表層殘余應(yīng)力分布Fig.10 Residual stress distribution in surface layer

4 結(jié) 論

(1) 對超聲表面滾壓加工后的供貨態(tài)40Cr進(jìn)行納米壓痕實驗，得到了2種加工遍數(shù)下距表面不同距離處的壓痕載荷-位移曲線．

(2) 經(jīng)過USRP處理后表層的彈性模量和納米硬度均高于基體．3遍USRP處理后的表面彈性模量和硬度分別為217.16,GPa和3.588,GPa；6遍USRP處理的分別為224.8,GPa和3.857,GPa．加工遍數(shù)的增加將提高二者的數(shù)值和高數(shù)值的分布范圍．

(3) 由納米壓痕實驗曲線推算了2種加工遍數(shù)下表層的殘余應(yīng)力．結(jié)果表明采用納米壓痕法測得的殘余應(yīng)力和XRD測量值吻合得較好．對于2種加工遍數(shù)，最大殘余壓應(yīng)力位于表面，分別為976,MPa和1,169,MPa．

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Nano Mechanical Properties of 40Cr Surface Layer After Ultrasonic Surface Rolling Processing

LIU Yu，WANG Li-jun，WANG Dong-po，WANG Ying
(Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The mechanical properties of 40Cr surface layer after ultrasonic surface rolling processing(USRP) was studied. Nano indentation experiments were used in determining the elastic modulus，nano hardness and residual stress of the surface layer. The test results show that the elastic modulus and hardness of surface layer can be improved significantly after USRP，the maximum values of which under 3 repeated USRP are 217.16,GPa and 3.588,GPa，and 224.8,GPa and 3.857,GPa for 6 repeated USRP，respectively，all of which are located in the surface. Meanwhile，residual compressive stresses are induced in the surface layer with the maximum value located in surface and increasing with the increase of repeated processing times. Contrast experiment results indicate that the number of reciprocating processing times has an important influence on mechanical performance.

ultrasonic surface rolling processing；40Cr；nanoindentation；mechanical properties

TG306

A

0493-2137(2012)07-0656-06

2011-07-13；

2011-09-01．

國家自然科學(xué)基金資助項目(50875184)．

劉 宇（1986— ），女，博士研究生，yunmengliuying@yahoo.com.cn．

王 穎，wangycl@tju.edu.cn．