中科院金属所MATER. SCI. ENG. A: 四种结构钢在表面旋压处理后的表面强化行为

【引言】

在工业中，由于结构钢的疲劳破坏造成的事故与损失常有发生，因而如何提高结构钢的疲劳寿命将是一个巨大的挑战，很多研究人员正在努力解决这个难题。在过去几十年，关于金属材料的表面及表面层研究吸引了大家的广泛关注，主要是由于其在结构件负载服役过程中扮演着重要角色并对疲劳寿命有着重要影响。对于一些重要的工程构件，已经证实表面强化是提高其服役寿命的一种有效方法。因此，各种表面机械强化方法逐渐发展起来，主要包括喷丸强化、超声波喷丸强化及表面机械研磨处理等等。众所周知，通过表面机械强化处理将获得具有明显梯度组织特征的硬化层，并从外表层至基体展现出连续变化的微观组织及显微硬度。以前对梯度组织的研究主要集中在硬化层中的晶粒尺寸分布、位错密度及晶粒细化过程等，对于评估表面硬化层性能的参数以及影响这些参数的因素却并没有开展相关研究。本文将深入探讨评估表面硬化层性能的关键指标及其影响因素，以揭示表面强化的机理。

【成果简介】

近日，中科院金属所张哲峰研究员与王强副研究员(共同通讯作者)利用表面旋压强化技术对四种不同屈服强度的结构钢进行处理，在剪切应力与压应力作用下，表面层会形成一层硬化层。研究结果发现从表层往里随着深度增加，表层中的晶粒被细化到不同尺度，最外表层中的晶粒可被细化到纳米尺度。而且对于硬化层，一种指数型的显微硬度模型被提出来，主要用于表征四种不同屈服强度结构钢的表面强化行为。该成果以“Surface strengthening behaviors of four structural steels processed by surface spinning strengthening”为题发表在期刊Materials Science and Engineering A上。

【图文导读】

图1：图解说明表面旋压强化技术

(a) 表面旋压机构；

(b) 表面旋压处理过程中旋压工具产生的剪切应力与压应力。

图2：四种结构钢原始态组织的SEM图片

(a) Q235；

(b) 45#；

(c) 30CrNi2.5MoV；

(d) 50CrMnMoVNb。

图3：四种结构钢在表面旋压处理前与处理后的拉伸应力应变曲线

A: Q235；B: 45#；C: 30CrNi2.5MoV；D: 50CrMnMoVNb

图4：四种结构钢经表面旋压处理后表面层的显微硬度变化

(a) Hv-d曲线；

(b) Hv₀-d曲线。

图5：四种结构钢表层中由表面旋压处理诱发形成的梯度组织的SEM图片

(a) Q235；

(b) 45#；

(c) 30CrNi2.5MoV；

(d) 50CrMnMoVNb。

图6：四种结构钢在表面旋压处理前(基体)与处理后(外表层)的典型TEM图片

(a) Q235(表面旋压处理)；

(b) Q235(基体)；

(c) 45#(表面旋压处理)；

(d) 45#(基体)；

(e) 30CrNi2.5MoV(表面旋压处理)；

(f) 30CrNi2.5MoV(基体)；

(g) 50CrMnMoVNb(表面旋压处理)；

(h) 50CrMnMoVNb(基体)。

图7：表面旋压处理所诱发形成的硬化层的指数型显微硬度模型

E区域为表面强化能，用以评估3S处理引发的能量。

图8：最大显微硬度增加比与Hall-Petch表征

(a) 最大显微硬度增加比H_VM/H_Vm与屈服强度之间的关系曲线；

(b) 四种结构钢在表面旋压处理前与处理后的Hall-Petch关系。

图9：剪切应力与硬化层厚度表征

(a) 剪切应力与距表面的距离之间的关系曲线；

(b) 硬化层厚度λ与屈服强度之间的关系曲线。

图10：表面强化指数

(a) 表面强化指数R与屈服强度之间的关系曲线；

(b) R在硬化层中变化规律的示意图。

【小结】

本文利用表面旋压强化技术对四种不同屈服强度的结构钢进行处理，研究其表面强化行为及强化机理。从基体至外表层，四种结构钢展现出相似的微观组织演变，在外表层中晶粒均被细化到不同水平甚至是纳米尺度，显微硬度均有不同程度的增加而且从外表层至基体均是逐渐降低。硬化层中的显微硬度变化可以利用指数型方程H_V=H_Vm+(H_VM-H_Vm)e^-Rd表示，四个主要参数H_VM/H_Vm，λ，R与E分别表示最大显微硬度增加比、硬化层厚度、表面强化指数与表面强化能。研究结果表明，随着屈服强度增加与硬化层厚度增加，H_VM/H_Vm比值一般降低。相比之下，表面强化指数R随着屈服强度增加而增加，同时表面强化能E也主要取决于屈服强度。E/H_Vm随着屈服强度增加而降低，说明变形越困难，这种材料吸收的能量就越小。晶粒细化引入的大量晶界与晶粒的塑性变形是造成四种结构钢表面强化的主要因素。

文献链接：Surface Strengthening Behaviors of Four Structural Steels Processed by Surface Spinning Strengthening (MATER. SCI. ENG. A, 2017, DOI：https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.08.007)

本文由编辑部许元涛编辑，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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