浅谈EA4T 车轴钢的超声冲击表面强化论文
0 引言
车轴是承受机车车辆质量的关键部件，在运行中要承受静载荷、动载荷和制动附加载荷的作用，失效的主要形式是疲劳破坏. 近年来，随着铁路的高速化和重载化，车轴的疲劳破坏日益严重，对行车的安全性能提出了严峻的挑战. 疲劳损伤往往发生在表面或从表面开始，然后逐渐向内部扩展并最终导致整个构件失效，造成了巨大经济损失和安全隐患. 因此，可以通过改变表面晶粒的结构、硬度或残余应力来提高表面性能，从而减少或延缓车轴的失效，对保证轨道交通的顺畅通行有积极意义.
目前在实际生产中广泛采用表面强化技术来提高车轴钢表面性能，主要有喷丸强化、滚压强化和感应淬火等，这些方法取得了良好的强化效果，但也存在着一些局限性，如设备庞大，效率低，污染大，处理效果还没有达到人们的预期. 超声冲击技术作为一种有效的表面强化方法，可以使金属表面产生弹塑性变形，晶粒减小，硬度增加，同时改变表面的残余应力状态、提高金属的疲劳寿命和腐蚀性能;并且超声冲击设备体积小质量轻，噪声小污染少，成本低耗能少;超声冲击处理具有速度快，强化层较深，可以引入较大的残余压应力，同时不受工件形状限制，还可以与其它设备组成生产线等优特点，故可把超声冲击技术应用于车轴钢的表面强化上，提高其综合力学性能.本文主要研究了超声冲击处理后EA4T 车轴钢显微组织及硬度的变化.
1 试验材料及方法
试验选用欧洲标准的EA4T 车轴钢. 车轴钢需经过调质处理，得到均匀的回火索氏体组织，然后将超声冲击强化后的工件切成尺寸为Φ15 mm × 10 mm 圆柱状试样，经过磨制和抛光，最后用4% 硝酸酒精溶液浸蚀. 在VHX- 1000 超景深三维显微系统下观察显微组织，试样沿横截面硬度的分布在FM - 2000 维氏显微硬度计上进行测量，用Leica DCM 3D 共聚焦显微镜测试了试样表面的粗糙度，利用JEM - 2100F 场发射透射电镜观察试样的最表层组织，工作电压为200 kV，在离子减薄仪上减薄.
车轴钢被装夹在车床主轴上，用超声冲击头对试样表面完成强化. 试验参数选择为:冲击频率为20 kHz，工件转速为820 r /min，冲击3 次，功率分别选取120、150 和180 W 进行试验，其它工艺参数不变，观察强化后的试样表面强化效果.
2 试验结果及分析
2. 1 表面粗糙度分析
试样经过超声冲击处理后，表面发生了明显变
化.左侧是未处理工件的表面，右侧是经过强化后的表
面，可以发现右侧部分光泽更好，表面很光滑.
在不同功率下试样表面粗糙度的变化其中粗糙度值是在试样不同位置测量后的平均值，在120、150、180W 三个功率下粗糙度值分别为3. 87、0. 71、0. 58 和0. 51μm. 与未处理试样相比，超声冲击强化后的试样表面粗糙度显著降低，最多大约减小了6. 5 倍;随着冲击功率的增加，表面粗糙度逐渐下降. 这是因为在工具头的高速撞击作用下，试样表面产生了剧烈的塑性变形，波峰波谷之间的差距越来越小，使得试样表面粗糙度减小.
2. 2 金相组织
将强化后的工件沿纵向剖开，在VHX - 1000超景深三维显微系统下观察经不同功率处理后试样横截面金相组织，未经超声冲击处理的试样为回火索氏体组织，细粒状的.渗碳体弥散分布在铁素体基体上，组织较均匀.
不同功率冲击下所得到的试样横截面金相组织车轴钢经超声冲击处理后，试样表面附近发生了剧烈的塑性变形，表层组织已经模糊不清，在金相显微镜下难以分辨，晶粒明显细化;并且随着深度的增加，变形量逐渐减小，变形沿着同一个方向，依次分为剧烈变形层、过渡层和基体，且变形区与基体没有明显界限. 随着冲击功率的增大，变形层厚度增加，晶粒内的变形越来越剧烈，晶粒伸长量增大，并向心部扩展;根据晶粒变形取向的不同，可大致估算出试样经超声冲击处理后的变形层厚度.在120 、150 、180 W 三个功率作用下冲击产生的变形层厚度分别为40、70 和80 μm. 变形层的厚度随冲击功率的提高单调增加，因为功率越高，单位时间内输入试样表面的能量就越多，变形就越明显;功率较小时变形层厚度增加迅速，随着功率的逐渐增加，变形层的厚度增加渐渐减慢，这是由于随着试样表面强化的不断进行，晶粒逐渐变小，晶界变多，位错运动阻力增大，试样继续发生塑性
2. 3 TEM 分析
EA4T 车轴钢在功率180 W 作用下试样的表层的TEM 暗场像及相应的选区电子衍射花样.经过超声冲击处理后样品的最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶，晶粒尺寸为40 ～ 50 nm，选区电子衍射花样表明纳米晶的取向呈随机分布.
2. 4 显微硬度
试样在不同功率作用下横截面的显微硬度沿厚度方向的变化，EA4T 车轴钢基体的硬度约为310 HV，经过超声冲击处理后试样发生加工硬化，表面硬度显著增加，达到343、378 和390 HV，与基体相比，分别提高了11%、22% 和25%. 随距表面深度增加时，试样的硬度逐渐减小，最后硬度渐渐趋于稳定值，试样的硬度是呈梯度变化的. 随着冲击功率的增大，试样表面硬度不断增大，且硬化层的厚度持续增加，在一定深度范围内，试样的硬度是随着超声冲击功率的增加而增大的.
由试样显微硬度变化规律看出，可以将试样表面分成三个区域，即硬度快速下降区、硬度缓慢下降区和硬度稳定区，它们与金相组织观察到的三个区域剧烈变形层、过渡层和基体相对应. 在三个功率作用下，硬化层厚度分别为40、70 和80μm，这与试样的显微组织测量的变形层厚度变化规律一致.
2. 5 表面硬度提高机理
在材料的内部，通常变形分为位错滑移和机械孪生两种方式，究竟采取哪种变形方式主要取决于材料的层错能，因此具有不同层错能材料的变形方式和变形组织存在着一定的差异. 本实验中，EA4T 车轴钢属于中高层错能金属，塑性变形方式主要通过位错的运动，试样表面首先在工具头的重复作用下，产生了大量位错，并通过滑移、累积、交互作用、湮灭和重排等形成了位错墙和位错缠结，这些位错墙和位错缠结将原始晶粒分割成尺寸较小的位错胞;随着应变的增加，位错密度不断增大，为了降低系统的能量，高密度位错会在位错墙和位错缠结附近发生湮灭和重排，使得位错墙和位错缠结发展成亚晶界. 亚晶界的形成降低了位错的密度，使得晶粒尺寸明显减小. 随着应变的进一步增加，碎化亚晶界或晶粒的内部的进一步碎化仍将沿用同样的机理，只是这种碎化发生在更小的尺度范围内. 晶界两侧取向差不断增大，晶粒取向逐渐趋于随机分布. 同时，位错在运动时相互交割加剧，一方面增加了位错线的长度，另一方面产生了固定割阶、位错缠结等障碍，这些都会使位错运动阻力增大，引起变形抗力增加，要想使金属进一步塑性变形，就必须增大外力，于是就提高了金属的强度.
除此之外，在一定深度范围内，材料的硬度是存在梯度的，即随着距离表面深度的增加，晶粒逐渐变细，表面的硬度逐渐减小. 在传统金属材料中存在着一个经验公式，反映了材料硬度与晶粒尺寸的变化规律，就是Hall - Petch 经验公式:Hv = H0 + Kd-1 /2 (1)其中: HV为硬度; d 为晶粒直径;H0，K 为常数;对于普通多晶体材料K 为正值. 由Hall-Petch 经验公式可知随着晶粒尺寸的减小材料的硬度提高.
3 结论
(1) 车轴钢经超声冲击处理后，表面发生了剧烈的塑性变形，晶粒明显细化，显微硬度呈梯度化，随着距表面深度的增加，变形量逐渐减小，依次分为剧烈变形层、过渡层和基体，变形区与基体没有明显界限;
(2) 随着超声冲击功率的增加，变形层厚度增大，表面粗糙度减小，表面硬度提高，与基体未经超声冲击处理的试样相比，在功率180 W 作用下，试样的表面硬度提高了25%，表面粗糙度降低了6. 5 倍，变形层厚度大约为80 μm，试样最表层已转变为均匀的等轴状纳米晶，晶粒尺寸为40～ 50 nm;
(3)车轴钢表面硬度的提高是晶粒细化和加工硬化共同作用的结果.
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